JP2005026397A - 熱処理装置及びその校正方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】熱モデルを用いて被処理体の温度を予想し、予想した温度に基づいて、熱処理を行う熱処理装置において、正確な温度の予想を可能とする。
【解決手段】熱処理装置１は、複数のウエハＷを収容する処理容器１１と複数のヒータ３１〜３３と複数の温度センサＳ１〜Ｓ５とを備え、熱モデルを記憶する。熱処理装置１は、温度センサＳ１〜Ｓ５の出力から熱モデルを用いてウエハＷの温度を予想し、予想した温度に基づいてヒータ３１〜３３を制御することにより、ウエハＷに熱処理を施す。熱モデルは、基本装置に基づいて設計された基準熱モデルを個々の装置用に校正して生成される。校正の方法は、まず、処理容器１１内を加熱し、処理容器１１内のウエハＷの温度をセンサで測定し、熱モデルを用いてウエハＷの温度を予想し、実測温度と予想温度とを比較し、実測温度に予想温度が実質的に一致するように基準熱モデルを校正することにより行われる。
【選択図】 図１
【解決手段】熱処理装置１は、複数のウエハＷを収容する処理容器１１と複数のヒータ３１〜３３と複数の温度センサＳ１〜Ｓ５とを備え、熱モデルを記憶する。熱処理装置１は、温度センサＳ１〜Ｓ５の出力から熱モデルを用いてウエハＷの温度を予想し、予想した温度に基づいてヒータ３１〜３３を制御することにより、ウエハＷに熱処理を施す。熱モデルは、基本装置に基づいて設計された基準熱モデルを個々の装置用に校正して生成される。校正の方法は、まず、処理容器１１内を加熱し、処理容器１１内のウエハＷの温度をセンサで測定し、熱モデルを用いてウエハＷの温度を予想し、実測温度と予想温度とを比較し、実測温度に予想温度が実質的に一致するように基準熱モデルを校正することにより行われる。
【選択図】 図１
Description
【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を熱処理する熱処理装置の校正方法に関し、特に、収容している被処理体の温度を熱モデルを用いて予想し、予想結果に基づいて制御を行う熱処理装置の熱モデルを校正する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
多数の半導体ウエハに対して成膜処理、酸化処理あるいは拡散処理などの熱処理を一括して行うバッチ式熱処理装置においては、例えば、成膜すべき薄膜の種類、膜厚などに応じて、処理温度、処理圧力、ガス流量などの処理条件が決められており、これら処理条件を書き込んだレシピが用意されている。そして、各オペレータが薄膜の種類及び膜厚に応じたレシピを選択することにより、予め定められた処理条件に基づいて熱処理装置が運転される。
【０００３】
熱処理装置は、処理温度、処理圧力、ガス流量などの処理条件がレシピに定められた目標値に一致させるように制御しながら、処理を行う。これらの処理を適切に行うため、ウエハの温度、加熱炉内の圧力、ガス流量などを測定する必要がある。
【０００４】
加熱炉内の圧力は、圧力計により、ガス流量は供給管に配置された流量計を含むマスフローコントローラ等により、比較的正確に測定が可能である。しかし、ウエハの温度については、測定が困難である。例えば、ウエハに温度センサを装着して加熱炉内に収納する手法も考えられるが、温度センサ装着箇所に半導体素子を形成することができず、さらに、温度センサからの不純物が加熱炉内全体を汚染し、半導体装置の歩留まりを低下させる虞がある。
【０００５】
これらの問題を解決できる技術が、例えば、特許文献１及び２に開示されている。この技術は、加熱炉に複数の温度センサを配置し、この温度センサの出力と、ヒータへの供給電力などに基づいて、熱モデル（数学モデル）を用いてウエハの温度を刻一刻と予想し、予想値を用いて、ヒータ電力を制御する技術である。この技術によれば、ウエハの温度を比較的正確に非接触で予想して、熱処理装置を制御することができる。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−２５９９７号公報
【特許文献２】
米国特許第５，５１７，５９４号
【０００７】
この種の装置の熱モデルは、以下のようにして設定される。まず、基本となる装置（基本装置）について熱モデル（基本モデル）を生成する。生成した基本モデルを、同一構造の装置に適用する。次に、基本装置と個々の装置との微妙な機差（個体差）を吸収するため、セットアップ作業を行う。この作業は、セットアップ用の成膜作業を個々の装置で行い、成膜された膜厚と目的とする膜厚との差異から、熱モデルを補正し、機差によらず、均一な膜、例えば、装置間で同一の厚さの膜を形成できるようにするものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
基本装置と個々の装置との差異は、熱に関するものだけではなく、ガスの流量やガスの圧力などについても、存在している。換言すれば、装置間では、圧力計やガス流量計の測定値のばらつきがある。
【０００９】
しかし、従来のセットアップ手法では、このような熱以外の要因による機差も全て熱モデルで吸収して、装置間の個体差をみかけ上なくして、装置間で同一の膜が形成されるようにしている。このようなセットアップ手法は、装置間に存在する差異点を細かく分析することなく、実質的に均一な仕様を得ることができ、非常に有効なセットアップ手法である。
【００１０】
しかしながら、従来のセットアップ手法では、場合により、装置の熱的な状況がかえって分かりづらくなってしまう場合があった。例えば、熱モデルで機差を吸収できないような場合には、プロセス結果のばらつき（例えば、成膜処理における膜厚のばらつき）の原因が装置のどの部分にあるのかわからなくなってしまうという問題があった。換言すれば、個々の装置の熱特性が正確には、わからなかった。
【００１１】
本発明は、このような事情の下に成されたものであり、熱モデルを用いて被処理体の温度を予想し、予想した温度に基づいて、熱処理を行う熱処理装置において、より正確な温度の予想を可能とすることを目的とする。
また、本発明は、熱モデルを用いて被処理体の温度を予想し、予想した温度に基づいて熱処理を行う熱処理装置において、より正確な温度特性の把握を可能とすることを他の目的とする。
【００１２】
【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、
被処理体を収容する処理容器と複数のヒータと複数の温度センサとを備え、前記温度センサの出力から前記処理容器内の被処理体の温度を推定するための熱モデルを記憶し、前記温度センサの出力から、該熱モデルを用いて、前記処理容器内の被処理体の温度を予想し、予想した温度に基づいて前記ヒータを制御することにより、前記被処理体に熱処理を施す熱処理装置の校正方法であって、
前記ヒータを駆動して、前記処理容器内を加熱する工程と、
前記処理容器内の前記被処理体の温度を測定する工程と、
測定した前記処理容器内の温度と、前記熱モデルを用いて予想した前記被処理体の温度とを比較し、実測値に予想値が実質的に一致するように前記熱モデルを校正する工程と、
を備えることを特徴とする。
【００１３】
このような構成とすることにより、熱モデルをその熱処理装置に適した状態に校正することが可能となり、温度を適切に予想することができる。従って、熱処理のプロセスを適切に行うことができる。特に、熱処理装置の熱特性を根拠とする予想温度と実際の温度のずれを補正することが可能となる。結果として、例えば、プロセス結果が期待するものと異なり、プロセス中の温度変化が予想された変化に一致する場合には、その原因が熱以外の点にあることを容易に判別することができる。
【００１４】
例えば、前記処理容器は、複数の被処理体を収容可能であり、前記温度測定工程は、前記被処理体に隣接する温度センサを配置する工程と、配置した温度センサにより前記被処理体の温度を測定する工程を含む。
【００１５】
例えば、前記校正工程は、測定した温度と予想した温度とに基づいて、前記予想値の補正値を求め、予想値を前記補正値により補正するように前記熱モデルを校正する。
【００１６】
例えば、前記加熱工程は、前記ヒータを駆動して、前記処理容器内を複数の設定温度に順次設定し、前記温度測定工程は、各設定温度での前記処理容器内の温度を測定し、前記温度を予想する工程は、各設定温度での前記処理容器内の温度を予想し、前記校正工程は、測定した複数の温度と予想した複数の温度とに基づいて、前記予想値の補正値を求め、前記熱モデルの予想値を前記補正値により補正するように前記熱モデルを校正する。
【００１７】
例えば、前記熱モデルは、前記ヒータの温度と各温度センサの温度を予想する機能を備え、前記校正工程は、前記ヒータの温度の変化量と前記温度センサの測定温度の変化量との関係と、前記ヒータに最も近接する温度センサの熱モデルによる予想温度と該温度センサの実測温度との差と、に基づいて補正値を求め、予想値を補正値に基づいて補正するように前記熱モデルを校正する。
【００１８】
例えば、前記処理容器内には内部ヒータが配置されており、前記熱モデルは、前記内部ヒータの温度を予想する機能を備え、前記校正工程は、前記内部ヒータの温度の変化量と前記温度センサの測定温度の変化量との関係と、前記内部ヒータに最も近接する温度センサの熱モデルによる予想温度と該温度センサの実測温度との差と、に基づいて補正値を求め、予想値を補正値に基づいて補正するように前記熱モデルを校正する、ようにしてもよい。
【００１９】
例えば、前記処理容器内に収容される被処理体の上部と下部には、それぞれ、第１と第２のヒータが配置され、前記熱モデルは、前記第１と第２のヒータの温度を予想する機能を備え、前記校正工程は、前記第１のヒータの温度の変化量と前記温度センサの測定温度の変化量との関係と、前記第１のヒータに最も近接する温度センサの熱モデルによる予想温度と該温度センサの実測温度との差と、に基づいて第１の補正値を求め、前記第２のヒータの温度の変化量と前記温度センサの測定温度の変化量との関係と、前記第２のヒータに最も近接する温度センサの熱モデルによる予想温度と該温度センサの実測温度との差と、に基づいて第２の補正値を求め、前記熱モデルによる予想値を第１と第２の補正値に基づいて補正するように前記熱モデルを校正する、ようにしてもよい。
上記構成の校正方法により校正された熱モデルを用いて処理容器内の温度を予想し、予想した温度に基づいて、被処理体に熱処理を施すようにしてもよい。
【００２０】
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は、
被処理体を収容する処理容器と複数のヒータと複数の温度センサとを備え、前記温度センサの出力から前記処理容器内の被処理体の温度を推定するための熱モデルを記憶し、前記温度センサの出力から、該熱モデルを用いて、前記処理容器内の被処理体の温度を予想し、予想した温度に基づいて前記ヒータを制御することにより、前記被処理体に熱処理を施す熱処理装置であって、
前記ヒータを駆動して、前記処理容器内を加熱する手段と、
前記処理容器内の前記被処理体の温度を測定する手段と、
測定した前記処理容器内の温度と、前記熱モデルを用いて予想した前記被処理体の温度とを比較し、実測値に予想値が実質的に一致するように前記熱モデルを校正する手段と、
を備えることを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明のバッチ式熱処理装置を縦型熱処理装置に適用した実施の形態について説明する。
本実施の形態に係る縦型の熱処理装置１は、図１に示すように、処理容器（反応管）１１を備える。処理容器１１は、被処理体を成すウエハＷを収容して、所定の熱処理、例えば、ＣＶＤ処理を施すためのものであり、耐熱性および耐食性を有する材料例えば石英ガラスにより形成されている。処理容器１１は、上端と下端が開放された単管構造を有し、上端は細径に絞られて、排気部１２を形成する。排気部１２は、図示せぬ排気管などを介して真空ポンプ等に接続されている。
【００２２】
処理容器１１の下部には、処理容器１１内に処理ガスや不活性ガスを導入するガス導入部（導入ポート）１３が配置されている。ガス導入部１３には、ガス源に通じる一又は複数のガス供給系の配管１４が挿通される。ガス導入部１３から導入された処理ガスは、処理容器１１内を上昇してウエハＷの所定の熱処理に供された後、排気部１２から排気される。
【００２３】
処理容器１１のフランジ状に形成された下端部１５は、ステンレス等の耐熱性および耐食性を有する材料から形成された蓋体２１により開閉される。蓋体２１は、図示せぬエレベータにより昇降し、上昇した位置で、処理容器１１の下端部１５を密閉し、下降した位置で、処理容器１１の下端部１５を開放する。
処理容器１１の下端部１５と蓋体２１との間には、気密を確保するためのＯ（オー）リング２２が配置されている。
【００２４】
蓋体２１の中央部には、回転支柱２３が回転可能に立設され、回転支柱２３の上端には、回転テーブル２４が固定されている。
また、蓋体２１の下部には、回転支柱２３を回転駆動する駆動部２５が設けられている。
【００２５】
回転テーブル２４の上には、例えば、６０枚の半導体ウエハＷを高さ方向に所定間隔で搭載可能な石英ガラス製のボート（ウエハボート）２６が載置される。ボート２６は、蓋体２１が降下した状態で回転テーブル２４上に載置され、蓋体２１が上昇して処理容器１１の下端部１５を密閉すると、処理容器１１内へのロードが完了し、処理完了後、蓋体２１が降下することによりアンロードされる。また、プロセス中は、駆動部２５による回転テーブル２４の回転により回転し、ウエハＷに均一な熱処理が施される。
【００２６】
処理容器１１の周囲には、処理容器１１内に収容されたウエハＷを周縁部から加熱昇温させるための周面ヒータ３１が配置されている。周面ヒータ３１は、例えば棒状の抵抗発熱体から構成され、垂直状態で処理容器１１の周囲を取り囲むように筒状に配設されている。周面ヒータ３１は、処理容器１１の周囲全体を加熱するメインヒータ３１ａと、処理容器１１の上端側および下端側の周囲を加熱する上端サブヒータ３１ｂと下端サブヒータ３１ｃ、から構成される。メインヒータ３１ａとサブヒータ３１ｂ、３１ｃは、処理容器１１の周方向に交互に配置されている。
【００２７】
処理容器１１の上下には、上面ヒータ３２と下面ヒータ３３とが設けられている。
【００２８】
上面ヒータ３２は、処理容器１１の排気側の放熱によるウエハ温度の低下を防ぐためのものであり、排気部１２の周囲にドーナツ状に形成され、支持部材３４により支持体３５に固定されている。
【００２９】
また、下面ヒータ３３は、蓋体２１等を介した放熱によるウエハ温度の低下を防止するためのものであり、処理容器１１内の回転テーブル２４の下に位置するように、支持部材３４により蓋体２１上に固定されている。下面ヒータ３３は、その中央部を回転支柱２３が貫通するようにドーナツ状に形成されている。
【００３０】
処理容器１１の外周面には、垂直方向に一列に３つの温度センサＳ１〜Ｓ３が配置されている。温度センサＳ１はボート２６の上部に対応する位置に、温度センサＳ２はボート２６の中央部に対応する位置に、温度センサＳ３はボート２６の下部に対応する位置に、それぞれ配置されている。
【００３１】
また、処理容器１１内の上面ヒータ３２とボート２６の上端面との間の位置に温度センサＳ４が配置され、処理容器１１内の下面ヒータ３３と回転テーブル２４との間の位置に、温度センサＳ５が配置されている。温度センサＳ４とＳ５とは、金属汚染を防止するため、例えば、石英チューブに収納されている。
【００３２】
温度センサＳ１〜Ｓ５の出力（検出温度）は、後述するように、ボート２６に配置されたウエハＷと上面ヒータ３２および下面ヒータ３３の表面温度を予想（推定；予測）するために使用される。
【００３３】
熱処理装置１は、装置全体の制御を行う制御部１００を備えている。
【００３４】
図２に示すように、制御部１００には、温度センサＳ１〜Ｓ５、操作パネル１２１、圧力計（群）１２２、ヒータコントローラ１２３、マスフローコントローラ１２４、弁開閉制御部１２５、真空ポンプ１２６等が接続されている。
【００３５】
温度センサＳ１〜Ｓ５は、前述のように、処理容器１１の外壁面の温度と上面ヒータ３２及び下面ヒータ３３近傍の温度を測定して、制御部１００に通知する。
操作パネル１２１は、表示画面と操作ボタンとを備え、オペレータの操作指示を制御部１００に伝え、また、制御部１００からの様々な情報を表示画面に表示する。
圧力計（群）１２２は、処理容器１１内及び排気部１２内の各部の圧力を測定し、測定値を制御部１００に通知する。
【００３６】
ヒータコントローラ１２３は、ヒータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３２，３３を個別に制御するためのものであり、制御部１００からの指示に応答して、ヒータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３２，３３に通電してこれらを加熱し、また、各ヒータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３２，３３の消費電力を個別に測定して、制御部１００に通知する。
【００３７】
マスフローコントローラ１２４は、各配管に配置され、各配管を流れるガスの流量を制御部１００から指示された量に制御すると共に実際に流れたガスの流量を測定して、制御部１００に通知する。
【００３８】
弁開閉制御部１２５は、各配管に配置され、各配管に配置された弁の開度を制御部１００から指示された値に制御する。真空ポンプ１２６は、処理容器１１の排気部１２に排気パイプ等を介して接続され、処理容器１１内を排気する。
【００３９】
制御部１００は、図２に示すように、熱モデル記憶部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。
【００４０】
熱モデル記憶部１１１には、図３（ａ）に示すように、この熱処理装置１と同一仕様の基準装置を用いて作成された基準熱モデルＭ１と、基準熱モデルＭ１をこの熱処理装置１用に校正（カスタマイズ）して生成された校正熱モデルＭ２とが記憶される。この熱処理装置１の製造当初は、基準熱モデルＭ１のみが熱モデル記憶部１１１に記憶され、熱処理装置１のセットアップ処理により校正熱モデルＭ２が格納される。
【００４１】
基準熱モデルＭ１と校正熱モデルＭ２は、共に、温度センサＳ１〜Ｓ５の出力信号（測定温度）及びヒータ３１ａ〜３３への供給電力（ヒータ３１ａ〜３３に接続されたヒータコントローラ１２３からの供給電力量を示す指示値）等から処理容器１１内の温度を予想するためのモデル（数学モデル；高次・多次元行列）である。ただし、基準熱モデルＭ１は、基準装置を用いて生成されたものであり、同一仕様の複数の熱処理装置１に共通のものである。一方、校正熱モデルＭ２は、各熱処理装置１のセットアップ時に基準熱モデルＭ１を、個々の装置の熱特性を正確に反映するように校正して生成され、実際の運用（プロセス処理）に使用される。
【００４２】
より詳細には、基準熱モデルＭ１は、温度センサＳ１〜Ｓ５の出力信号（測定温度）及びヒータ３１ａ〜３３への供給電力等から
ボート２６の上部に載置されているウエハ（ボート上部ウエハ）Ｗの中心部Ｐ１および周縁部Ｐ２の温度、
ボート２６の中央部に載置されているウエハ（ボート中央部ウエハ）Ｗの中心部Ｐ３の温度、
ボート２６の下部に載置されているウエハ（ボート下部ウエハ）Ｗの中心部Ｐ４および周縁部Ｐ５の温度（計５箇所の温度）と上面ヒータ３２および下面ヒータ３３の表面温度及び温度センサＳ４とＳ５の温度を予想する。なお、ボート中央部ウエハＷについて周縁部の温度を測定しないのは、ボート２６の中央部は熱的に最も安定した領域であり、ウエハＷの中心部Ｐ３と周縁部との温度差がほとんど生じないため、中心部Ｐ３の温度でボート中央部ウエハＷ全体の温度を代表できるからである。
【００４３】
また、基準熱モデルＭ１は、予想した各ウエハ温度から、そのウエハ温度をレシピで規定される温度（目標値）にするために各ヒータ３１ａ〜３３に供給すべき電力を求める。なお、この熱モデルを生成する手法自体は、例えば、米国特許第５，５１７，５９４号公報などに開示されている手法を利用できる。
【００４４】
また、校正熱モデルＭ２は、この熱処理装置１に固有の熱特性に従って正確に各部の温度を推定できるようにカスタマイズされたものである点以外は、基準熱モデルＭ１と同一構造である。
【００４５】
レシピ記憶部１１２には、図３（ｂ）に示すように、セットアップレシピＲ１と１又は複数のプロセスレシピＲ２とが記憶されている。
【００４６】
この熱処理装置１の製造当初は、セットアップレシピＲ１のみが格納される。セットアップレシピＲ１は、熱処理装置１の基準熱モデルＭ１を校正する際に実行されるものであり、図４に示すように、時間に対して上述の５箇所Ｐ１〜Ｐ５の温度を階段状に昇温することを規定する。
一方、プロセスレシピＲ２は、ユーザが行う熱処理（プロセス）毎に用意されるレシピである。
【００４７】
図２に示す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、ＣＰＵ１１６の動作プログラム等を記憶する記録媒体である。ＲＡＭ１１４は、ＣＰＵ１１６のワークエリアなどとして機能する。
【００４８】
Ｉ／Ｏポート１１５は、前述の温度センサＳ１〜Ｓ５、操作パネル１２１、圧力計１２２、ヒータコントローラ１２３、マスフローコントローラ１２４、弁開閉制御部１２５に接続され、データや信号の入出力を制御する。
【００４９】
バス１１７は、各部の間で情報を伝達する。
【００５０】
ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１１６は、制御部１００の中枢を構成し、ＲＯＭ１１３に記憶された制御プログラムを実行し、操作パネル１２１からの指示に従って、レシピ記憶部１１２に記憶されているレシピに沿って、熱処理装置１の動作を制御する。
【００５１】
次に、熱処理装置１のセットアップ動作で使用する温度測定装置５１について説明する。
この温度測定装置５１は、図５に示すように、支柱５２と、支柱５２から水平方向に伸びる第１、第２、第３の腕部５３，５４，５５とを備える。第１から第３の腕部５３，５４，５５は、図６に示すように、ボート２６の上部スロット、中央部スロット、下部スロットに側方から挿入可能な位置に配置されている。さらに、第１〜第３の腕部５３〜５５には、熱電対（温度センサ）ＴＣ１〜ＴＣ５が配置されている。
【００５２】
第１の腕５３には、ボート２６に挿入された際に、ボート２６の上部スロットのウエハＷの中央部Ｐ１とエッジ部Ｐ２にそれぞれ対向する位置に熱電対ＴＣ１とＴＣ２が配置されている。
【００５３】
第２の腕５４には、ボート２６に挿入された際に、ボート２６の中央部スロットのウエハＷの中央部Ｐ３に対向する位置に熱電対ＴＣ３が配置されている。
第３の腕５５には、ボート２６に挿入された際に、ボート２６の下部スロットのウエハＷの中央部Ｐ４とエッジ部Ｐ５とにそれぞれ対向する位置に熱電対ＴＣ４とＴＣ５が配置されている。
【００５４】
熱電対ＴＣ１からＴＣ５は、各温度モニタウエハ（ボート上部スロット上は、ボート中央部スロットウエハ、ボート下部スロットウエハ）Ｗに非接触で近接して配置され、温度測定対象ウエハＷの領域Ｐ１〜Ｐ５の表面温度をほぼ正確に測定可能である。これらの熱電対ＴＣの出力信号線は、セットアップ時に制御部１００のＩ／Ｏポート１１５に接続される。
【００５５】
次に、熱処理装置１のセットアップ動作について、図７と図８のフローチャートを参照して説明する。このセットアップ動作は、個々の熱処理装置１と基準装置との微妙な差異に基づく熱特性の差を求めて、熱モデル記憶部１１１に記憶されている基準熱モデルＭ１をこの熱処理装置１に固有の校正熱モデルＭ２に校正する作業である。
【００５６】
まず、操作者は、蓋体２１を降下させ、回転テーブル２４上に、ダミーウエハＷを搭載したボート２６を配置する。また、温度測定装置５１を側方からボート２６に挿入する。次に、蓋体２１を上昇して、ボート２６を処理容器１１内にロードする。
【００５７】
続いて、操作者は、操作パネル１２１から、基準熱モデルＭ１の校正処理の開始を指示する。
この指示に応答し、制御部１００（のＣＰＵ１１６）は、ＲＯＭ１１３に記憶されている校正処理用プログラムに従って動作を開始する。
【００５８】
まず、制御部１００は、弁開閉制御部１２５，真空ポンプ１２６等を制御し、圧力計１２２の出力をモニタして、処理容器１１内を所定圧力まで減圧する（ステップＳ１１）。
【００５９】
続いて、処理容器１１内のウエハＷの領域Ｐ１〜Ｐ５の温度を、セットアップレシピＲ１に従って、第１の温度（例えば、４００℃）に設定する（ステップＳ１２）。
【００６０】
ウエハＷの温度が安定した時点で、熱電対ＴＣ１〜ＴＣ５で各温度モニタウエハＷの中央及び周縁部の位置Ｐ１〜Ｐ５の温度を実測する（ステップＳ１３）。一方、基準熱モデルＭ１を用いて、温度モニタウエハＷの中央及び周縁部の位置Ｐ１〜Ｐ５の温度を予想する（ステップＳ１４）。
次に、実測値と予想値とを対応付けてＲＡＭ１１４に記憶する（ステップＳ１５）。
【００６１】
次に、セットアップレシピＲ１で設定されている全ての温度についての処理が終了したか否かを判断する（ステップＳ１６）。終了していない、即ち、設定していない温度が存在する場合には（ステップＳ１６；Ｎｏ）、ステップＳ１２に戻って、次の設定温度について同様の処理を繰り返す。
【００６２】
一方、セットアップレシピＲ１で設定されている全ての温度についての処理が終了した場合には（ステップＳ１６；Ｙｅｓ）、図９に示すような実測温度と予想温度との対応表がＲＡＭ１１４上に完成しており、処理は、ステップＳ１８に進む。
【００６３】
ステップＳ１８においては、ＲＡＭ１１４上に形成された対応表に基づいて、熱電対ＴＣ１〜ＴＣ５で実測された温度ＴＲ１〜ＴＲ５と、基準熱モデルＭ１により予想した温度ＴＰ１〜ＴＰ５とをそれぞれ比較し、ウエハＷの温度の補正値を求める。
【００６４】
補正値を求める手法自体は任意であるが、例えば、数式１に従って、補正値を求めことができる。
【数１】
補正値ｉ＝基準熱モデルＭ１による予想値ＴＰｉ−実測値ＴＲｉ
ｉ：温度の予想エリア（Ｐ１〜Ｐ５）を示す１〜５の値
【００６５】
なお、補正値ｉは、固定値でもよく、或いは、関数の形式となってもよい。例えば、予想値ＴＰｉ−実測値ＴＲｉが、図９に示すようにばらついた場合には、例えば、最小二乗法を用いて、これらを代表する一次関数ｆ（Ｔ）（Ｔは基準熱モデルＭ１よる予想温度）を求め、これを補正値としてもよい。
【００６６】
次に、基準熱モデルＭ１を校正する（ステップＳ１９）。即ち、数式２の示す値が予想値となるように、基準熱モデルＭ１を補正する。
【数２】
予想温度ｉ＝基準熱モデルＭ１で予想した温度ｉ−補正値ｉ
【００６７】
例えば、補正値が図１０に示すような関数ｆ（Ｔ）で表され、基準熱モデルＭ１で予想した温度がＴ０とすると、予想温度がＴ０−ｆ（Ｔ０）となるように、基準熱モデルＭ１を補正する。
【００６８】
次に、処理容器１１内の上面ヒータ３２と下面ヒータ３３の表面温度を正確に予想できるように、基準熱モデルＭ１を補正する（ステップＳ２０）。この補正動作を図８を参照して説明する。
まず、処理容器１１内の温度を所定の一定値Ｔｃｏｎｓに維持するように制御し、系が安定するのを待つ。次に、更新前の基準熱モデルＭ１を用いて、温度センサＳ４とＳ５の温度を予想する。また、温度センサＳ４とＳ５の測定値を求める（ステップＳ２１）。
【００６９】
次に、温度センサＳ４とＳ５の温度の予想値と実測値とを比較し、補正値を数式１と同様にして求める（ステップＳ２２）。
【００７０】
次に、上面ヒータ３２については、ヒータコントローラ１２３を含めたシステムモデルより、上面ヒータ３２の表面温度の変化量ΔＴｔとセンサＳ１〜Ｓ５の温度の変化量ΔＴｓ１〜ΔＴｓ５との相関関係を求める（ステップＳ２３）。
即ち、数式４を成立させる行列Ｋｔ（数式３）を求める。
【数３】
【数４】
【００７１】
次に、下面ヒータ３３については、ヒータコントローラ１２３を含めたシステムモデルより、下面ヒータ３３の表面温度の変化量ΔＴｂとセンサＳ１〜Ｓ５の温度の変化量ΔＴｓ１〜ΔＴｓ５との相関関係を求める（ステップＳ２３）。
即ち、数式６を成立させる行列Ｋｂ（数式５）を求める。
【数５】
【数６】
【００７２】
次に、この相関関係を、基準熱モデルＭ１の上面ヒータ３２の温度を予想する部分と下面ヒータ３３の温度を予想する部分とに適用し、数式７と数式８で示すように、基準熱モデルＭ１を校正する（ステップＳ２４）。
【００７３】
【数７】
【数８】
【００７４】
以上で、基準熱モデルＭ１をこの装置用に校正（カスタマイズ）する処理が終了する。ロードされたボート２６等は、アンロードされる。
【００７５】
カスタマイズされた基準熱モデルＭ１、即ち、校正熱モデルＭ２は、熱モデル記憶部１１１に記憶され（ステップＳ２５）、以後の、ウエハＷの位置Ｐ１〜Ｐ５の温度及び上面ヒータ３２及び下面ヒータ３３の表面温度の予想に使用される。
【００７６】
セットアップされた熱処理装置１により、プロセスを行う場合には、実行するプロセスに応じたプロセスレシピＲ２がレシピ記憶部１１２に格納される。続いて、校正熱モデルＭ２を用いて、ウエハＷ及び上面・下面ヒータ３２，３３の温度を予想しながら、プロセスを進める。このとき、校正熱モデルＭ２は、この熱処理装置１用に校正されたものであるので、正確にウエハＷやヒータ３２，３３の温度を予想することができる。また、プロセスの結果が許容範囲以下のレベルになった場合には、その原因が熱によるものであるか、他の要因によるものであるかを容易に識別することができる。
【００７７】
なお、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。例えば、上面ヒータ３２及び下面ヒータ３３の温度を、例えば、放射温度計等を使用して測定し、基準熱モデルＭ１による予想値と放射温度計による実測値とに基づいて、補正値を求め、この補正値から予想温度を補正するようにしてもよい。
【００７８】
さらに、温度予想用の温度センサの数や配置位置は、適宜変更可能であり、数は５つに限定されず、配置位置は、処理容器１１の内壁に配置する等してもよい。
【００７９】
また、この発明を適用する熱処理装置１も、上記実施の形態のものに限定されず、任意に変更可能であり、例えば、処理容器１１が例えば二重管構造であったり、ボート２６に収容できる半導体ウエハＷの数がより大容量（例えば、約１００枚から１５０枚）であったり、さらには、より小容量（例えば、１５〜３０枚）であってもよい。
【００８０】
また、上記実施の形態では、ＣＶＤ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、この発明は、ＣＶＤ装置に限らず、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。
【００８１】
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、側面ヒータの数を３つ、内部ヒータの数を２つとしたが、ヒータの数や配置は任意である。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、ウエハ等の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。
【００８２】
また、熱モデルやその設計手法も、米国特許５，５１７，５９４号公報に開示されたモデルやその設計手法に限定されるものではなく、任意のモデル及び任意の設計手法を採用可能である。
【００８３】
なお、上述の校正処理を行うためのコンピュータプログラムの少なくとも一部をＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤ−ＲＯＭなどのコンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納して配布し、Ｉ／Ｏポート１１５を介してＲＡＭ１１４に転送し、転送したプログラムをＣＰＵ１１６で実行することにより、上述の校正処理を実行するようにしてもよい。また、プログラムをネットワークを介してＩ／Ｏポート１１５に転送するようにしてもよい。
【００８４】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、個々の熱処理装置の熱特性に応じて、熱モデルをカスタマイズして、その装置に適合した熱モデルを生成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る熱処理装置の構成を示す図である。
【図２】図１に示す制御部の構成を示す図である。
【図３】図２に示す熱モデル記憶部とレシピ記憶部に記憶されるデータの例を示す図である。
【図４】セットアップレシピの例を示す図である。
【図５】温度測定装置の構成を示す図である。
【図６】温度測定装置の腕部をボートに挿入した状態を示す図である。
【図７】基準熱モデルを校正して校正熱モデルを生成する手順を説明するためのフローチャートである。
【図８】基準熱モデルを校正して校正熱モデルを生成する手順を説明するためのフローチャートである。
【図９】セットアップレシピによる各設定温度における、基準熱モデルによる予想温度と実測温度とを対応付けて記憶する様子を示す図である。
【図１０】基準熱モデルを補正する方法を説明するための図である。
【符号の説明】
１ 熱処理装置
１１ 処理容器
１５ 下端部
２１ 蓋体
２４ 回転テーブル
２６ ボート
３１ 周面ヒータ
３１ａ メインヒータ
３１ｂ 上端サブヒータ
３１ｃ 下端サブヒータ
３２ 上面ヒータ
３３ 下面ヒータ
１００ 制御部
Ｓ１〜Ｓ５ 温度センサ
ＴＣ１〜ＴＣ５ 熱電対（温度センサ）
【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を熱処理する熱処理装置の校正方法に関し、特に、収容している被処理体の温度を熱モデルを用いて予想し、予想結果に基づいて制御を行う熱処理装置の熱モデルを校正する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
多数の半導体ウエハに対して成膜処理、酸化処理あるいは拡散処理などの熱処理を一括して行うバッチ式熱処理装置においては、例えば、成膜すべき薄膜の種類、膜厚などに応じて、処理温度、処理圧力、ガス流量などの処理条件が決められており、これら処理条件を書き込んだレシピが用意されている。そして、各オペレータが薄膜の種類及び膜厚に応じたレシピを選択することにより、予め定められた処理条件に基づいて熱処理装置が運転される。
【０００３】
熱処理装置は、処理温度、処理圧力、ガス流量などの処理条件がレシピに定められた目標値に一致させるように制御しながら、処理を行う。これらの処理を適切に行うため、ウエハの温度、加熱炉内の圧力、ガス流量などを測定する必要がある。
【０００４】
加熱炉内の圧力は、圧力計により、ガス流量は供給管に配置された流量計を含むマスフローコントローラ等により、比較的正確に測定が可能である。しかし、ウエハの温度については、測定が困難である。例えば、ウエハに温度センサを装着して加熱炉内に収納する手法も考えられるが、温度センサ装着箇所に半導体素子を形成することができず、さらに、温度センサからの不純物が加熱炉内全体を汚染し、半導体装置の歩留まりを低下させる虞がある。
【０００５】
これらの問題を解決できる技術が、例えば、特許文献１及び２に開示されている。この技術は、加熱炉に複数の温度センサを配置し、この温度センサの出力と、ヒータへの供給電力などに基づいて、熱モデル（数学モデル）を用いてウエハの温度を刻一刻と予想し、予想値を用いて、ヒータ電力を制御する技術である。この技術によれば、ウエハの温度を比較的正確に非接触で予想して、熱処理装置を制御することができる。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−２５９９７号公報
【特許文献２】
米国特許第５，５１７，５９４号
【０００７】
この種の装置の熱モデルは、以下のようにして設定される。まず、基本となる装置（基本装置）について熱モデル（基本モデル）を生成する。生成した基本モデルを、同一構造の装置に適用する。次に、基本装置と個々の装置との微妙な機差（個体差）を吸収するため、セットアップ作業を行う。この作業は、セットアップ用の成膜作業を個々の装置で行い、成膜された膜厚と目的とする膜厚との差異から、熱モデルを補正し、機差によらず、均一な膜、例えば、装置間で同一の厚さの膜を形成できるようにするものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
基本装置と個々の装置との差異は、熱に関するものだけではなく、ガスの流量やガスの圧力などについても、存在している。換言すれば、装置間では、圧力計やガス流量計の測定値のばらつきがある。
【０００９】
しかし、従来のセットアップ手法では、このような熱以外の要因による機差も全て熱モデルで吸収して、装置間の個体差をみかけ上なくして、装置間で同一の膜が形成されるようにしている。このようなセットアップ手法は、装置間に存在する差異点を細かく分析することなく、実質的に均一な仕様を得ることができ、非常に有効なセットアップ手法である。
【００１０】
しかしながら、従来のセットアップ手法では、場合により、装置の熱的な状況がかえって分かりづらくなってしまう場合があった。例えば、熱モデルで機差を吸収できないような場合には、プロセス結果のばらつき（例えば、成膜処理における膜厚のばらつき）の原因が装置のどの部分にあるのかわからなくなってしまうという問題があった。換言すれば、個々の装置の熱特性が正確には、わからなかった。
【００１１】
本発明は、このような事情の下に成されたものであり、熱モデルを用いて被処理体の温度を予想し、予想した温度に基づいて、熱処理を行う熱処理装置において、より正確な温度の予想を可能とすることを目的とする。
また、本発明は、熱モデルを用いて被処理体の温度を予想し、予想した温度に基づいて熱処理を行う熱処理装置において、より正確な温度特性の把握を可能とすることを他の目的とする。
【００１２】
【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、
被処理体を収容する処理容器と複数のヒータと複数の温度センサとを備え、前記温度センサの出力から前記処理容器内の被処理体の温度を推定するための熱モデルを記憶し、前記温度センサの出力から、該熱モデルを用いて、前記処理容器内の被処理体の温度を予想し、予想した温度に基づいて前記ヒータを制御することにより、前記被処理体に熱処理を施す熱処理装置の校正方法であって、
前記ヒータを駆動して、前記処理容器内を加熱する工程と、
前記処理容器内の前記被処理体の温度を測定する工程と、
測定した前記処理容器内の温度と、前記熱モデルを用いて予想した前記被処理体の温度とを比較し、実測値に予想値が実質的に一致するように前記熱モデルを校正する工程と、
を備えることを特徴とする。
【００１３】
このような構成とすることにより、熱モデルをその熱処理装置に適した状態に校正することが可能となり、温度を適切に予想することができる。従って、熱処理のプロセスを適切に行うことができる。特に、熱処理装置の熱特性を根拠とする予想温度と実際の温度のずれを補正することが可能となる。結果として、例えば、プロセス結果が期待するものと異なり、プロセス中の温度変化が予想された変化に一致する場合には、その原因が熱以外の点にあることを容易に判別することができる。
【００１４】
例えば、前記処理容器は、複数の被処理体を収容可能であり、前記温度測定工程は、前記被処理体に隣接する温度センサを配置する工程と、配置した温度センサにより前記被処理体の温度を測定する工程を含む。
【００１５】
例えば、前記校正工程は、測定した温度と予想した温度とに基づいて、前記予想値の補正値を求め、予想値を前記補正値により補正するように前記熱モデルを校正する。
【００１６】
例えば、前記加熱工程は、前記ヒータを駆動して、前記処理容器内を複数の設定温度に順次設定し、前記温度測定工程は、各設定温度での前記処理容器内の温度を測定し、前記温度を予想する工程は、各設定温度での前記処理容器内の温度を予想し、前記校正工程は、測定した複数の温度と予想した複数の温度とに基づいて、前記予想値の補正値を求め、前記熱モデルの予想値を前記補正値により補正するように前記熱モデルを校正する。
【００１７】
例えば、前記熱モデルは、前記ヒータの温度と各温度センサの温度を予想する機能を備え、前記校正工程は、前記ヒータの温度の変化量と前記温度センサの測定温度の変化量との関係と、前記ヒータに最も近接する温度センサの熱モデルによる予想温度と該温度センサの実測温度との差と、に基づいて補正値を求め、予想値を補正値に基づいて補正するように前記熱モデルを校正する。
【００１８】
例えば、前記処理容器内には内部ヒータが配置されており、前記熱モデルは、前記内部ヒータの温度を予想する機能を備え、前記校正工程は、前記内部ヒータの温度の変化量と前記温度センサの測定温度の変化量との関係と、前記内部ヒータに最も近接する温度センサの熱モデルによる予想温度と該温度センサの実測温度との差と、に基づいて補正値を求め、予想値を補正値に基づいて補正するように前記熱モデルを校正する、ようにしてもよい。
【００１９】
例えば、前記処理容器内に収容される被処理体の上部と下部には、それぞれ、第１と第２のヒータが配置され、前記熱モデルは、前記第１と第２のヒータの温度を予想する機能を備え、前記校正工程は、前記第１のヒータの温度の変化量と前記温度センサの測定温度の変化量との関係と、前記第１のヒータに最も近接する温度センサの熱モデルによる予想温度と該温度センサの実測温度との差と、に基づいて第１の補正値を求め、前記第２のヒータの温度の変化量と前記温度センサの測定温度の変化量との関係と、前記第２のヒータに最も近接する温度センサの熱モデルによる予想温度と該温度センサの実測温度との差と、に基づいて第２の補正値を求め、前記熱モデルによる予想値を第１と第２の補正値に基づいて補正するように前記熱モデルを校正する、ようにしてもよい。
上記構成の校正方法により校正された熱モデルを用いて処理容器内の温度を予想し、予想した温度に基づいて、被処理体に熱処理を施すようにしてもよい。
【００２０】
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は、
被処理体を収容する処理容器と複数のヒータと複数の温度センサとを備え、前記温度センサの出力から前記処理容器内の被処理体の温度を推定するための熱モデルを記憶し、前記温度センサの出力から、該熱モデルを用いて、前記処理容器内の被処理体の温度を予想し、予想した温度に基づいて前記ヒータを制御することにより、前記被処理体に熱処理を施す熱処理装置であって、
前記ヒータを駆動して、前記処理容器内を加熱する手段と、
前記処理容器内の前記被処理体の温度を測定する手段と、
測定した前記処理容器内の温度と、前記熱モデルを用いて予想した前記被処理体の温度とを比較し、実測値に予想値が実質的に一致するように前記熱モデルを校正する手段と、
を備えることを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明のバッチ式熱処理装置を縦型熱処理装置に適用した実施の形態について説明する。
本実施の形態に係る縦型の熱処理装置１は、図１に示すように、処理容器（反応管）１１を備える。処理容器１１は、被処理体を成すウエハＷを収容して、所定の熱処理、例えば、ＣＶＤ処理を施すためのものであり、耐熱性および耐食性を有する材料例えば石英ガラスにより形成されている。処理容器１１は、上端と下端が開放された単管構造を有し、上端は細径に絞られて、排気部１２を形成する。排気部１２は、図示せぬ排気管などを介して真空ポンプ等に接続されている。
【００２２】
処理容器１１の下部には、処理容器１１内に処理ガスや不活性ガスを導入するガス導入部（導入ポート）１３が配置されている。ガス導入部１３には、ガス源に通じる一又は複数のガス供給系の配管１４が挿通される。ガス導入部１３から導入された処理ガスは、処理容器１１内を上昇してウエハＷの所定の熱処理に供された後、排気部１２から排気される。
【００２３】
処理容器１１のフランジ状に形成された下端部１５は、ステンレス等の耐熱性および耐食性を有する材料から形成された蓋体２１により開閉される。蓋体２１は、図示せぬエレベータにより昇降し、上昇した位置で、処理容器１１の下端部１５を密閉し、下降した位置で、処理容器１１の下端部１５を開放する。
処理容器１１の下端部１５と蓋体２１との間には、気密を確保するためのＯ（オー）リング２２が配置されている。
【００２４】
蓋体２１の中央部には、回転支柱２３が回転可能に立設され、回転支柱２３の上端には、回転テーブル２４が固定されている。
また、蓋体２１の下部には、回転支柱２３を回転駆動する駆動部２５が設けられている。
【００２５】
回転テーブル２４の上には、例えば、６０枚の半導体ウエハＷを高さ方向に所定間隔で搭載可能な石英ガラス製のボート（ウエハボート）２６が載置される。ボート２６は、蓋体２１が降下した状態で回転テーブル２４上に載置され、蓋体２１が上昇して処理容器１１の下端部１５を密閉すると、処理容器１１内へのロードが完了し、処理完了後、蓋体２１が降下することによりアンロードされる。また、プロセス中は、駆動部２５による回転テーブル２４の回転により回転し、ウエハＷに均一な熱処理が施される。
【００２６】
処理容器１１の周囲には、処理容器１１内に収容されたウエハＷを周縁部から加熱昇温させるための周面ヒータ３１が配置されている。周面ヒータ３１は、例えば棒状の抵抗発熱体から構成され、垂直状態で処理容器１１の周囲を取り囲むように筒状に配設されている。周面ヒータ３１は、処理容器１１の周囲全体を加熱するメインヒータ３１ａと、処理容器１１の上端側および下端側の周囲を加熱する上端サブヒータ３１ｂと下端サブヒータ３１ｃ、から構成される。メインヒータ３１ａとサブヒータ３１ｂ、３１ｃは、処理容器１１の周方向に交互に配置されている。
【００２７】
処理容器１１の上下には、上面ヒータ３２と下面ヒータ３３とが設けられている。
【００２８】
上面ヒータ３２は、処理容器１１の排気側の放熱によるウエハ温度の低下を防ぐためのものであり、排気部１２の周囲にドーナツ状に形成され、支持部材３４により支持体３５に固定されている。
【００２９】
また、下面ヒータ３３は、蓋体２１等を介した放熱によるウエハ温度の低下を防止するためのものであり、処理容器１１内の回転テーブル２４の下に位置するように、支持部材３４により蓋体２１上に固定されている。下面ヒータ３３は、その中央部を回転支柱２３が貫通するようにドーナツ状に形成されている。
【００３０】
処理容器１１の外周面には、垂直方向に一列に３つの温度センサＳ１〜Ｓ３が配置されている。温度センサＳ１はボート２６の上部に対応する位置に、温度センサＳ２はボート２６の中央部に対応する位置に、温度センサＳ３はボート２６の下部に対応する位置に、それぞれ配置されている。
【００３１】
また、処理容器１１内の上面ヒータ３２とボート２６の上端面との間の位置に温度センサＳ４が配置され、処理容器１１内の下面ヒータ３３と回転テーブル２４との間の位置に、温度センサＳ５が配置されている。温度センサＳ４とＳ５とは、金属汚染を防止するため、例えば、石英チューブに収納されている。
【００３２】
温度センサＳ１〜Ｓ５の出力（検出温度）は、後述するように、ボート２６に配置されたウエハＷと上面ヒータ３２および下面ヒータ３３の表面温度を予想（推定；予測）するために使用される。
【００３３】
熱処理装置１は、装置全体の制御を行う制御部１００を備えている。
【００３４】
図２に示すように、制御部１００には、温度センサＳ１〜Ｓ５、操作パネル１２１、圧力計（群）１２２、ヒータコントローラ１２３、マスフローコントローラ１２４、弁開閉制御部１２５、真空ポンプ１２６等が接続されている。
【００３５】
温度センサＳ１〜Ｓ５は、前述のように、処理容器１１の外壁面の温度と上面ヒータ３２及び下面ヒータ３３近傍の温度を測定して、制御部１００に通知する。
操作パネル１２１は、表示画面と操作ボタンとを備え、オペレータの操作指示を制御部１００に伝え、また、制御部１００からの様々な情報を表示画面に表示する。
圧力計（群）１２２は、処理容器１１内及び排気部１２内の各部の圧力を測定し、測定値を制御部１００に通知する。
【００３６】
ヒータコントローラ１２３は、ヒータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３２，３３を個別に制御するためのものであり、制御部１００からの指示に応答して、ヒータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３２，３３に通電してこれらを加熱し、また、各ヒータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３２，３３の消費電力を個別に測定して、制御部１００に通知する。
【００３７】
マスフローコントローラ１２４は、各配管に配置され、各配管を流れるガスの流量を制御部１００から指示された量に制御すると共に実際に流れたガスの流量を測定して、制御部１００に通知する。
【００３８】
弁開閉制御部１２５は、各配管に配置され、各配管に配置された弁の開度を制御部１００から指示された値に制御する。真空ポンプ１２６は、処理容器１１の排気部１２に排気パイプ等を介して接続され、処理容器１１内を排気する。
【００３９】
制御部１００は、図２に示すように、熱モデル記憶部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。
【００４０】
熱モデル記憶部１１１には、図３（ａ）に示すように、この熱処理装置１と同一仕様の基準装置を用いて作成された基準熱モデルＭ１と、基準熱モデルＭ１をこの熱処理装置１用に校正（カスタマイズ）して生成された校正熱モデルＭ２とが記憶される。この熱処理装置１の製造当初は、基準熱モデルＭ１のみが熱モデル記憶部１１１に記憶され、熱処理装置１のセットアップ処理により校正熱モデルＭ２が格納される。
【００４１】
基準熱モデルＭ１と校正熱モデルＭ２は、共に、温度センサＳ１〜Ｓ５の出力信号（測定温度）及びヒータ３１ａ〜３３への供給電力（ヒータ３１ａ〜３３に接続されたヒータコントローラ１２３からの供給電力量を示す指示値）等から処理容器１１内の温度を予想するためのモデル（数学モデル；高次・多次元行列）である。ただし、基準熱モデルＭ１は、基準装置を用いて生成されたものであり、同一仕様の複数の熱処理装置１に共通のものである。一方、校正熱モデルＭ２は、各熱処理装置１のセットアップ時に基準熱モデルＭ１を、個々の装置の熱特性を正確に反映するように校正して生成され、実際の運用（プロセス処理）に使用される。
【００４２】
より詳細には、基準熱モデルＭ１は、温度センサＳ１〜Ｓ５の出力信号（測定温度）及びヒータ３１ａ〜３３への供給電力等から
ボート２６の上部に載置されているウエハ（ボート上部ウエハ）Ｗの中心部Ｐ１および周縁部Ｐ２の温度、
ボート２６の中央部に載置されているウエハ（ボート中央部ウエハ）Ｗの中心部Ｐ３の温度、
ボート２６の下部に載置されているウエハ（ボート下部ウエハ）Ｗの中心部Ｐ４および周縁部Ｐ５の温度（計５箇所の温度）と上面ヒータ３２および下面ヒータ３３の表面温度及び温度センサＳ４とＳ５の温度を予想する。なお、ボート中央部ウエハＷについて周縁部の温度を測定しないのは、ボート２６の中央部は熱的に最も安定した領域であり、ウエハＷの中心部Ｐ３と周縁部との温度差がほとんど生じないため、中心部Ｐ３の温度でボート中央部ウエハＷ全体の温度を代表できるからである。
【００４３】
また、基準熱モデルＭ１は、予想した各ウエハ温度から、そのウエハ温度をレシピで規定される温度（目標値）にするために各ヒータ３１ａ〜３３に供給すべき電力を求める。なお、この熱モデルを生成する手法自体は、例えば、米国特許第５，５１７，５９４号公報などに開示されている手法を利用できる。
【００４４】
また、校正熱モデルＭ２は、この熱処理装置１に固有の熱特性に従って正確に各部の温度を推定できるようにカスタマイズされたものである点以外は、基準熱モデルＭ１と同一構造である。
【００４５】
レシピ記憶部１１２には、図３（ｂ）に示すように、セットアップレシピＲ１と１又は複数のプロセスレシピＲ２とが記憶されている。
【００４６】
この熱処理装置１の製造当初は、セットアップレシピＲ１のみが格納される。セットアップレシピＲ１は、熱処理装置１の基準熱モデルＭ１を校正する際に実行されるものであり、図４に示すように、時間に対して上述の５箇所Ｐ１〜Ｐ５の温度を階段状に昇温することを規定する。
一方、プロセスレシピＲ２は、ユーザが行う熱処理（プロセス）毎に用意されるレシピである。
【００４７】
図２に示す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、ＣＰＵ１１６の動作プログラム等を記憶する記録媒体である。ＲＡＭ１１４は、ＣＰＵ１１６のワークエリアなどとして機能する。
【００４８】
Ｉ／Ｏポート１１５は、前述の温度センサＳ１〜Ｓ５、操作パネル１２１、圧力計１２２、ヒータコントローラ１２３、マスフローコントローラ１２４、弁開閉制御部１２５に接続され、データや信号の入出力を制御する。
【００４９】
バス１１７は、各部の間で情報を伝達する。
【００５０】
ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１１６は、制御部１００の中枢を構成し、ＲＯＭ１１３に記憶された制御プログラムを実行し、操作パネル１２１からの指示に従って、レシピ記憶部１１２に記憶されているレシピに沿って、熱処理装置１の動作を制御する。
【００５１】
次に、熱処理装置１のセットアップ動作で使用する温度測定装置５１について説明する。
この温度測定装置５１は、図５に示すように、支柱５２と、支柱５２から水平方向に伸びる第１、第２、第３の腕部５３，５４，５５とを備える。第１から第３の腕部５３，５４，５５は、図６に示すように、ボート２６の上部スロット、中央部スロット、下部スロットに側方から挿入可能な位置に配置されている。さらに、第１〜第３の腕部５３〜５５には、熱電対（温度センサ）ＴＣ１〜ＴＣ５が配置されている。
【００５２】
第１の腕５３には、ボート２６に挿入された際に、ボート２６の上部スロットのウエハＷの中央部Ｐ１とエッジ部Ｐ２にそれぞれ対向する位置に熱電対ＴＣ１とＴＣ２が配置されている。
【００５３】
第２の腕５４には、ボート２６に挿入された際に、ボート２６の中央部スロットのウエハＷの中央部Ｐ３に対向する位置に熱電対ＴＣ３が配置されている。
第３の腕５５には、ボート２６に挿入された際に、ボート２６の下部スロットのウエハＷの中央部Ｐ４とエッジ部Ｐ５とにそれぞれ対向する位置に熱電対ＴＣ４とＴＣ５が配置されている。
【００５４】
熱電対ＴＣ１からＴＣ５は、各温度モニタウエハ（ボート上部スロット上は、ボート中央部スロットウエハ、ボート下部スロットウエハ）Ｗに非接触で近接して配置され、温度測定対象ウエハＷの領域Ｐ１〜Ｐ５の表面温度をほぼ正確に測定可能である。これらの熱電対ＴＣの出力信号線は、セットアップ時に制御部１００のＩ／Ｏポート１１５に接続される。
【００５５】
次に、熱処理装置１のセットアップ動作について、図７と図８のフローチャートを参照して説明する。このセットアップ動作は、個々の熱処理装置１と基準装置との微妙な差異に基づく熱特性の差を求めて、熱モデル記憶部１１１に記憶されている基準熱モデルＭ１をこの熱処理装置１に固有の校正熱モデルＭ２に校正する作業である。
【００５６】
まず、操作者は、蓋体２１を降下させ、回転テーブル２４上に、ダミーウエハＷを搭載したボート２６を配置する。また、温度測定装置５１を側方からボート２６に挿入する。次に、蓋体２１を上昇して、ボート２６を処理容器１１内にロードする。
【００５７】
続いて、操作者は、操作パネル１２１から、基準熱モデルＭ１の校正処理の開始を指示する。
この指示に応答し、制御部１００（のＣＰＵ１１６）は、ＲＯＭ１１３に記憶されている校正処理用プログラムに従って動作を開始する。
【００５８】
まず、制御部１００は、弁開閉制御部１２５，真空ポンプ１２６等を制御し、圧力計１２２の出力をモニタして、処理容器１１内を所定圧力まで減圧する（ステップＳ１１）。
【００５９】
続いて、処理容器１１内のウエハＷの領域Ｐ１〜Ｐ５の温度を、セットアップレシピＲ１に従って、第１の温度（例えば、４００℃）に設定する（ステップＳ１２）。
【００６０】
ウエハＷの温度が安定した時点で、熱電対ＴＣ１〜ＴＣ５で各温度モニタウエハＷの中央及び周縁部の位置Ｐ１〜Ｐ５の温度を実測する（ステップＳ１３）。一方、基準熱モデルＭ１を用いて、温度モニタウエハＷの中央及び周縁部の位置Ｐ１〜Ｐ５の温度を予想する（ステップＳ１４）。
次に、実測値と予想値とを対応付けてＲＡＭ１１４に記憶する（ステップＳ１５）。
【００６１】
次に、セットアップレシピＲ１で設定されている全ての温度についての処理が終了したか否かを判断する（ステップＳ１６）。終了していない、即ち、設定していない温度が存在する場合には（ステップＳ１６；Ｎｏ）、ステップＳ１２に戻って、次の設定温度について同様の処理を繰り返す。
【００６２】
一方、セットアップレシピＲ１で設定されている全ての温度についての処理が終了した場合には（ステップＳ１６；Ｙｅｓ）、図９に示すような実測温度と予想温度との対応表がＲＡＭ１１４上に完成しており、処理は、ステップＳ１８に進む。
【００６３】
ステップＳ１８においては、ＲＡＭ１１４上に形成された対応表に基づいて、熱電対ＴＣ１〜ＴＣ５で実測された温度ＴＲ１〜ＴＲ５と、基準熱モデルＭ１により予想した温度ＴＰ１〜ＴＰ５とをそれぞれ比較し、ウエハＷの温度の補正値を求める。
【００６４】
補正値を求める手法自体は任意であるが、例えば、数式１に従って、補正値を求めことができる。
【数１】
補正値ｉ＝基準熱モデルＭ１による予想値ＴＰｉ−実測値ＴＲｉ
ｉ：温度の予想エリア（Ｐ１〜Ｐ５）を示す１〜５の値
【００６５】
なお、補正値ｉは、固定値でもよく、或いは、関数の形式となってもよい。例えば、予想値ＴＰｉ−実測値ＴＲｉが、図９に示すようにばらついた場合には、例えば、最小二乗法を用いて、これらを代表する一次関数ｆ（Ｔ）（Ｔは基準熱モデルＭ１よる予想温度）を求め、これを補正値としてもよい。
【００６６】
次に、基準熱モデルＭ１を校正する（ステップＳ１９）。即ち、数式２の示す値が予想値となるように、基準熱モデルＭ１を補正する。
【数２】
予想温度ｉ＝基準熱モデルＭ１で予想した温度ｉ−補正値ｉ
【００６７】
例えば、補正値が図１０に示すような関数ｆ（Ｔ）で表され、基準熱モデルＭ１で予想した温度がＴ０とすると、予想温度がＴ０−ｆ（Ｔ０）となるように、基準熱モデルＭ１を補正する。
【００６８】
次に、処理容器１１内の上面ヒータ３２と下面ヒータ３３の表面温度を正確に予想できるように、基準熱モデルＭ１を補正する（ステップＳ２０）。この補正動作を図８を参照して説明する。
まず、処理容器１１内の温度を所定の一定値Ｔｃｏｎｓに維持するように制御し、系が安定するのを待つ。次に、更新前の基準熱モデルＭ１を用いて、温度センサＳ４とＳ５の温度を予想する。また、温度センサＳ４とＳ５の測定値を求める（ステップＳ２１）。
【００６９】
次に、温度センサＳ４とＳ５の温度の予想値と実測値とを比較し、補正値を数式１と同様にして求める（ステップＳ２２）。
【００７０】
次に、上面ヒータ３２については、ヒータコントローラ１２３を含めたシステムモデルより、上面ヒータ３２の表面温度の変化量ΔＴｔとセンサＳ１〜Ｓ５の温度の変化量ΔＴｓ１〜ΔＴｓ５との相関関係を求める（ステップＳ２３）。
即ち、数式４を成立させる行列Ｋｔ（数式３）を求める。
【数３】
次に、下面ヒータ３３については、ヒータコントローラ１２３を含めたシステムモデルより、下面ヒータ３３の表面温度の変化量ΔＴｂとセンサＳ１〜Ｓ５の温度の変化量ΔＴｓ１〜ΔＴｓ５との相関関係を求める（ステップＳ２３）。
即ち、数式６を成立させる行列Ｋｂ（数式５）を求める。
【数５】
次に、この相関関係を、基準熱モデルＭ１の上面ヒータ３２の温度を予想する部分と下面ヒータ３３の温度を予想する部分とに適用し、数式７と数式８で示すように、基準熱モデルＭ１を校正する（ステップＳ２４）。
【００７３】
【数７】
以上で、基準熱モデルＭ１をこの装置用に校正（カスタマイズ）する処理が終了する。ロードされたボート２６等は、アンロードされる。
【００７５】
カスタマイズされた基準熱モデルＭ１、即ち、校正熱モデルＭ２は、熱モデル記憶部１１１に記憶され（ステップＳ２５）、以後の、ウエハＷの位置Ｐ１〜Ｐ５の温度及び上面ヒータ３２及び下面ヒータ３３の表面温度の予想に使用される。
【００７６】
セットアップされた熱処理装置１により、プロセスを行う場合には、実行するプロセスに応じたプロセスレシピＲ２がレシピ記憶部１１２に格納される。続いて、校正熱モデルＭ２を用いて、ウエハＷ及び上面・下面ヒータ３２，３３の温度を予想しながら、プロセスを進める。このとき、校正熱モデルＭ２は、この熱処理装置１用に校正されたものであるので、正確にウエハＷやヒータ３２，３３の温度を予想することができる。また、プロセスの結果が許容範囲以下のレベルになった場合には、その原因が熱によるものであるか、他の要因によるものであるかを容易に識別することができる。
【００７７】
なお、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。例えば、上面ヒータ３２及び下面ヒータ３３の温度を、例えば、放射温度計等を使用して測定し、基準熱モデルＭ１による予想値と放射温度計による実測値とに基づいて、補正値を求め、この補正値から予想温度を補正するようにしてもよい。
【００７８】
さらに、温度予想用の温度センサの数や配置位置は、適宜変更可能であり、数は５つに限定されず、配置位置は、処理容器１１の内壁に配置する等してもよい。
【００７９】
また、この発明を適用する熱処理装置１も、上記実施の形態のものに限定されず、任意に変更可能であり、例えば、処理容器１１が例えば二重管構造であったり、ボート２６に収容できる半導体ウエハＷの数がより大容量（例えば、約１００枚から１５０枚）であったり、さらには、より小容量（例えば、１５〜３０枚）であってもよい。
【００８０】
また、上記実施の形態では、ＣＶＤ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、この発明は、ＣＶＤ装置に限らず、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。
【００８１】
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、側面ヒータの数を３つ、内部ヒータの数を２つとしたが、ヒータの数や配置は任意である。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、ウエハ等の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。
【００８２】
また、熱モデルやその設計手法も、米国特許５，５１７，５９４号公報に開示されたモデルやその設計手法に限定されるものではなく、任意のモデル及び任意の設計手法を採用可能である。
【００８３】
なお、上述の校正処理を行うためのコンピュータプログラムの少なくとも一部をＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤ−ＲＯＭなどのコンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納して配布し、Ｉ／Ｏポート１１５を介してＲＡＭ１１４に転送し、転送したプログラムをＣＰＵ１１６で実行することにより、上述の校正処理を実行するようにしてもよい。また、プログラムをネットワークを介してＩ／Ｏポート１１５に転送するようにしてもよい。
【００８４】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、個々の熱処理装置の熱特性に応じて、熱モデルをカスタマイズして、その装置に適合した熱モデルを生成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る熱処理装置の構成を示す図である。
【図２】図１に示す制御部の構成を示す図である。
【図３】図２に示す熱モデル記憶部とレシピ記憶部に記憶されるデータの例を示す図である。
【図４】セットアップレシピの例を示す図である。
【図５】温度測定装置の構成を示す図である。
【図６】温度測定装置の腕部をボートに挿入した状態を示す図である。
【図７】基準熱モデルを校正して校正熱モデルを生成する手順を説明するためのフローチャートである。
【図８】基準熱モデルを校正して校正熱モデルを生成する手順を説明するためのフローチャートである。
【図９】セットアップレシピによる各設定温度における、基準熱モデルによる予想温度と実測温度とを対応付けて記憶する様子を示す図である。
【図１０】基準熱モデルを補正する方法を説明するための図である。
【符号の説明】
１ 熱処理装置
１１ 処理容器
１５ 下端部
２１ 蓋体
２４ 回転テーブル
２６ ボート
３１ 周面ヒータ
３１ａ メインヒータ
３１ｂ 上端サブヒータ
３１ｃ 下端サブヒータ
３２ 上面ヒータ
３３ 下面ヒータ
１００ 制御部
Ｓ１〜Ｓ５ 温度センサ
ＴＣ１〜ＴＣ５ 熱電対（温度センサ）
Claims (9)
- 被処理体を収容する処理容器と複数のヒータと複数の温度センサとを備え、前記温度センサの出力から前記処理容器内の被処理体の温度を推定するための熱モデルを記憶し、前記温度センサの出力から、該熱モデルを用いて、前記処理容器内の被処理体の温度を予想し、予想した温度に基づいて前記ヒータを制御することにより、前記被処理体に熱処理を施す熱処理装置の校正方法であって、
前記ヒータを駆動して、前記処理容器内を加熱する工程と、
前記処理容器内の前記被処理体の温度を測定する工程と、
測定した前記処理容器内の温度と、前記熱モデルを用いて予想した前記被処理体の温度とを比較し、実測値に予想値が実質的に一致するように前記熱モデルを校正する工程と、
を備えることを特徴とする熱処理装置の校正方法。 - 前記処理容器は、複数の被処理体を収容可能であり、
前記温度測定工程は、前記被処理体に隣接する温度センサを配置する工程と、配置した温度センサにより前記被処理体の温度を測定する工程を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の熱処理装置の校正方法。 - 前記校正工程は、測定した温度と予想した温度とに基づいて、前記予想値の補正値を求め、予想値を前記補正値により補正するように前記熱モデルを校正する、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の熱処理装置の校正方法。 - 前記加熱工程は、前記ヒータを駆動して、前記処理容器内を複数の設定温度に順次設定し、
前記温度測定工程は、各設定温度での前記処理容器内の温度を測定し、
被処理体の温度を予想する工程は、各設定温度での前記処理容器内の温度を予想し、
前記校正工程は、測定した複数の温度と予想した複数の温度とに基づいて、前記予想値の補正値を求め、前記熱モデルの予想値を前記補正値により補正するように前記熱モデルを校正する、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の熱処理装置の校正方法。 - 前記熱モデルは、前記ヒータの温度と各温度センサの温度を予想する機能を備え、
前記校正工程は、前記ヒータの温度の変化量と前記温度センサの測定温度の変化量との関係と、前記ヒータに最も近接する温度センサの熱モデルによる予想温度と該温度センサの実測温度との差と、に基づいて補正値を求め、予想値を補正値に基づいて補正するように前記熱モデルを校正する、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の熱処理装置の校正方法。 - 前記処理容器内には内部ヒータが配置されており、
前記熱モデルは、前記内部ヒータの温度を予想する機能を備え、
前記校正工程は、前記内部ヒータの温度の変化量と前記温度センサの測定温度の変化量との関係と、前記内部ヒータに最も近接する温度センサの熱モデルによる予想温度と該温度センサの実測温度との差と、に基づいて補正値を求め、予想値を補正値に基づいて補正するように前記熱モデルを校正する、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の熱処理装置の校正方法。 - 前記処理容器内に収容される被処理体の上部と下部には、それぞれ、第１と第２のヒータが配置されており、
前記熱モデルは、前記第１と第２のヒータの温度を予想する機能を備え、
前記校正工程は、前記第１のヒータの温度の変化量と前記温度センサの測定温度の変化量との関係と、前記第１のヒータに最も近接する温度センサの熱モデルによる予想温度と該温度センサの実測温度との差と、に基づいて第１の補正値を求め、前記第２のヒータの温度の変化量と前記温度センサの測定温度の変化量との関係と、前記第２のヒータに最も近接する温度センサの熱モデルによる予想温度と該温度センサの実測温度との差と、に基づいて第２の補正値を求め、
前記熱モデルによる予想値を第１と第２の補正値に基づいて補正するように前記熱モデルを校正する、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の熱処理装置の校正方法。 - 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の熱処理装置の校正方法により校正された熱モデルを用いて処理容器内の温度を予想し、予想した温度に基づいて、被処理体に熱処理を施す工程をさらに備えることを特徴とする熱処理方法。
- 被処理体を収容する処理容器と複数のヒータと複数の温度センサとを備え、前記温度センサの出力から前記処理容器内の被処理体の温度を推定するための熱モデルを記憶し、前記温度センサの出力から、該熱モデルを用いて、前記処理容器内の被処理体の温度を予想し、予想した温度に基づいて前記ヒータを制御することにより、前記被処理体に熱処理を施す熱処理装置であって、
前記ヒータを駆動して、前記処理容器内を加熱する手段と、
前記処理容器内の前記被処理体の温度を測定する手段と、
測定した前記処理容器内の温度と、前記熱モデルを用いて予想した前記被処理体の温度とを比較し、実測値に予想値が実質的に一致するように前記熱モデルを校正する手段と、
を備えることを特徴とする熱処理装置。
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