JP2005123308A

JP2005123308A - 基板処理装置

Info

Publication number: JP2005123308A
Application number: JP2003354937A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Makitani; 雅広槇谷
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2003-10-15
Filing date: 2003-10-15
Publication date: 2005-05-12

Abstract

【課題】ウェハ処理枚数にかかわらず、ウェハ間の熱履歴を一定に保つようにする。
【解決手段】基板処理装置は、ヒータ２０７により温度制御される雰囲気下でウェハ２００を処理する反応室２０４と、この反応室に隣接して設けられ反応室２０４にウェハ２００を搬送する移載機１１２を設けた搬送室１０３と、反応室２０４及び搬送室１０３の内部温度をそれぞれ測定する炉内温度センサ２１１及び搬送室内温度センサ２１３とを備える。コントローラ２２０は、移載機１１２によるウェハ２００の搬送時の一時点での、差温度演算部２２２により求めた反応室２０４と搬送室１０３の温度差（差温度）と、補正温度演算部２２３により求めたウェハ処理枚数に対する反応室温度センサ２１１の測定値（以下、補正温度という）とを監視する。そして、反応室２０４の制御温度演算部２２１による温度制御時に、加算器２２５、２２６により差温度に補正温度を加えた温度を加算するよう修正制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は基板処理装置に係り、特に搬送室と隣接した反応室を温度制御するための装置に関する。

基板処理装置、例えば枚葉式半導体製造装置においては、ウェハの成膜処理を行うにあたり、温度制御によって反応室を処理温度まで加熱した後に、反応室にウェハを搬入して成膜処理をしている。

従来、この成膜処理は、反応室を処理温度まで加熱して反応室が設定温度に達した後、ただちに行われるのではなく、しばらく放置してから行っている。しばらく放置してから行っているのは次の理由による。反応室が物理的に搬送室と接しているため、加熱機能のない搬送室へ加熱機能のある反応室からの熱の移動が起こり、反応室の温度が不安定になる。反応室の温度が安定しないままにウェハを成膜処理すると、その反応室温度の不安定さが膜質に影響する。これを回避するためである。特に、基板処理装置の立上げ時には、反応室の温度がとても不安定になるため、設定温度に達してからの準備時間を長くとっている。

また、ウェハ搬送時には反応室と搬送室間のゲートバルブを開放するために、反応室から高温の雰囲気が搬送室へ流れることにより熱の移動が起き、反応室の温度が低下する。この熱の移動対策において、従来は反応室内の温度を、一時的かつ意図的に上げて温度補正などしている。

しかしながら、上述した従来の熱移動対策にはつぎのような問題があった。

（１）反応室が設定温度に達した後、反応室の温度が安定するまで、準備時間を設けているが、その準備時間は作業者の経験に基づく勘で設定されている。したがって、必要以上の時間が設定されるケースもあり、必要以上の時間が設定されれば、スループットの低下を招くことになる。

（２）基板搬出時に、反応室から搬送室への熱の移動が起こり、反応室温度が低下するが、この温度低下を防ぐために、反応室内の温度を、一時的、意図的に上げて温度補正などしている。しかし、この温度補正は、処理枚数に関係なく、全ての基板に画一的に行われているため、基板処理枚数毎に変化する反応室温度環境に適切に対応していない。すなわち、反応室の内部汚染の増加により反応室の温度制御が悪くなるため、基板の熱履歴が一定でなくなる。

本発明の課題は、上述した従来技術の間題点を解消して、スループットを向上し、基板の熱履歴を一定にすることが可能な基板処理装置を提供することにある。

第１の発明は、温度制御される雰囲気下で基板を処理する反応室と、この反応室に隣接して設けられ、前記反応室に前記基板を搬送する移載機を設けた搬送室と、前記反応室及び前記搬送室の温度をそれぞれ測定する反応室温度センサ及び搬送室温度センサとを備えて、前記反応室温度センサ及び搬送室温度センサ値を前記反応室の温度制御に反映させるようにしたことを特徴とする基板処理装置である。
反応室温度センサ及び搬送室温度センサによって反応室温度及び搬送室温度を監視できるので、反応室と搬送室間の温度差、反応室から搬送室への熱移行を明らかにすることができる。また、温度差、熱移行を反応室の温度制御に反映させることにより、スループットを向上し、基板間の熱履歴を一定にすることができる。

第２の発明は、第１の発明において、前記反応室が温度制御により所定温度に設定された後、前記反応室温度センサ及び搬送室温度センサでそれぞれ測定した反応室温度及び搬送室温度から前記反応室と前記搬送室との温度差（以下、差温度ともいう）を求め、この差温度がある一定温度（以下、熱移動収束温度ともいう）に収束してから、前記基板を搬送室から反応室に搬送するよう前記移載機を制御する装置制御部を有することを特徴とする基板処理装置である。

差温度が熱移動収束温度に収束してから基板を反応室内に搬送するよう移載機を装置制御部により制御するので、反応室から搬送室への熱の移動により、反応室の温度が安定しないままに基板を処理することを回避できる。
なお、反応室と搬送室との差温度に代えて、搬送室温度のみから熱移動収束温度を検出するようにしてもよいが、差温度から熱移動収束温度を検出するようにした方が、装置温度全体の影響を受けないので、反応室の温度をより安定化できる。

第３の発明は、第２の発明において、前記一定温度は任意に変更可能であることを特徴とする基板処理装置である。収束する一定温度が、基板処理枚数に応じて異なることから、一定温度が任意に変更可能であると、基板処理枚数に応じて変化する反応室温度環境に、反応室の温度制御を適切に対応させることができる。

第４の発明は、第２の発明において、前記一定温度に収束した時間を基準とし、この基準時間から前記基板が前記反応室内に前記移載機で搬送されて処理可能な状態とするまでにかかる時間（放置時間）は任意に変更可能であることを特徴とする基板処理装置である。
一定温度に収束した時間を基準とし、この基準時間から基板を処理可能な状態とするまでにかかる時間を任意に変更可能とすると、プロセス温度や、基板処理枚数に応じて反応室からの熱移動が異なることから、反応室の温度制御を基板毎に適切に行うことができる。

第５の発明は、第１又は第２の発明において、前記移載機による前記基板の搬送時の一時点での前記差温度と、基板処理枚数に対する前記反応室の温度センサの測定値（以下、補正温度という）とを管理し、前記反応室の温度制御時に、前記差温度に前記補正温度を加えた温度（以下、加算温度という）を加算するよう制御するコントローラを有することを特徴とする基板処理装置である。
反応室の温度制御時に、コントローラで加算温度を加算するよう制御するので、基板処理前に反応室から搬送室への熱の移動が起きても、基板処理枚数に対する反応室の温度制御を基板毎に適切に行うことができる。

第６の発明は、第５の発明において、更に、前記反応室と前記搬送室とを連接するゲートバルブを有し、前記一時点とは、基板処理前であって、前記基板が前記反応室に搬送されるために前記ゲートバルブが開放される直前又は／及び前記基板が前記反応室に搬送された後に前記ゲートバルブが遮断される直後であることを特徴とする基板処理装置である。

一時点が、ゲートバルブが開放される直前であると、ゲートバルブを介して物理的に連接されている搬送室に反応室からの熱の移動が収束し、反応室の温度が安定しているときの差温度を得ることができるので、反応室を正確に温度制御できる。
また、一時点が、ゲートバルブが遮断される直後であると、搬送室より高温である反応室から搬送室への熱の移動が収束し、反応室の温度が安定しているときの差温度を得ることができるので、反応室を正確に温度制御できる。
さらに、一時点が、ゲートバルブが開放される直前、及びゲートバルブが遮断される直後であると、ゲートバルブの開放前後の反応室の温度が安定しているときの両方の差温度を得ることができるので、この差温度を利用すれば、反応室をより適切に温度制御できる。

第７の発明は、第１ないし第６の発明において、少なくとも前記温度センサの測定値、前記差温度、前記補正温度を可視化する出力装置を有することを特徴とした基板処理装置である。
少なくとも温度センサの測定値、差温度、補正温度を可視化する出力装置を有すると、反応室と搬送室間の温度差、熱移行を視覚的に把握することができるので、これらの温度データを反応室の温度制御に有効に反映することができる。

本発明によれば、反応室温度センサ及び搬送室温度センサ値を反応室の温度制御に反映させるようにしたので、スループットが向上し、ウェハ間の熱履歴を一定に保つことができる。

以下、本発明の一実施の形態を図面に即して説明する。
図８及び図９において、本発明が適用される基板処理装置の概要を説明する。なお、本発明が適用される基板処理装置においてはウェハなどの基板を搬送するキャリヤとしては、FOUP(front opening unified pod.以下、ポッドという。)が使用されている。また、以下の説明において、前後左右は図８を基準とする。すなわち、図８が示されている紙面に対して、前は紙面の下、後ろは紙面の上、左右は紙面の左右とする。

図８及び図９に示されているように、基板処理装置は真空状態などの大気圧未満の圧力（負圧）に耐えるロードロックチャンバ構造に構成された第一の搬送室１０３を備えており、第一の搬送室１０３の筐体１０１は平面視が六角形で上下両端が閉塞した箱形状に形成されている。第一の搬送室１０３には負圧下で二枚のウェハ２００を同時に移載する第一の移載機１１２が設置されている。前記第一の移載機１１２は、エレベータ１１５によって、第一の搬送室１０３の気密性を維持しつつ昇降できるように構成されている。

筐体１０１の六枚の側壁のうち前側に位置する二枚の側壁には、搬入用の予備室１２２と搬出用の予備室１２３とがそれぞれゲートバルブ２４４，１２７を介して連結されており、それぞれ負圧に耐え得るロードロックチャンバ構造に構成されている。さらに、予備室１２２には搬入室用の基板置き台１４０が設置され、予備室１２３には搬出室用の基板置き台１４１が設置されている。

予備室１２２および予備室１２３の前側には、略大気圧下で用いられる第二の搬送室１２１がゲートバルブ１２８，１２９を介して連結されている。第二の搬送室１２１には二枚のウェハ２００を同時に移載する第二の移載機１２４が設置されている。第二の移載機１２４は第二の搬送室１２１に設置されたエレベータ１２６によって昇降されるように構成されているとともに、リニアアクチュエータ１３２によって左右方向に往復移動されるように構成されている。

図８に示されているように、第二の搬送室１２１の左側にはオリフラ合わせ装置１０６が設置されている。また、図９に示されているように、第二の搬送室１２１の上部にはクリーンエアを供給するクリーンユニット１１８が設置されている。

図８及び図９に示されているように、第二の搬送室１２１の筐体１２５には、ウェハ２００を第二の搬送室１２１に対して搬入搬出するためのウェハ搬入搬出口１３４と、前記ウェハ搬入搬出口を閉塞する蓋１４２と、ポッドオープナ１０８がそれぞれ設置されている。ポッドオープナ１０８は、ＩＯステージ１０５に載置されたポッド１００のキャップ及びウェハ搬入搬出口１３４を閉塞する蓋１４２を開閉するキャップ開閉機構１３６とを備えており、ＩＯステージ１０５に載置されたポッド１００のキャップ及びウェハ搬入搬出口１３４を閉塞する蓋１４２をキャップ開閉機構１３６によって開閉することにより、ポッド１００のウェハ出し入れを可能にする。また、ポッド１００は図示しない工程内搬送装置（ＲＧＶ）によって、前記ＩＯステージ１０５に、供給および排出されるようになっている。

図８に示されているように、筐体１０１の六枚の側壁のうち背面側に位置する二枚の側壁には、ウェハに所望の処理を行う第一の処理炉２０２と、第二の処理炉１３７とがそれぞれ隣接して連結されている。第一の処理炉２０２および第二の処理炉１３７はいずれもホットウォール式の処理炉によってそれぞれ構成されている。また、筐体１０１における六枚の側壁のうちの残りの互いに対向する二枚の側壁には、第三の処理炉としての第一のクーリングユニット１３８と、第四の処理炉としての第二のクーリングユニット１３９とがそれぞれ連結されており、第一のクーリングユニット１３８および第二のクーリングユニット１３９はいずれも処理済みのウェハ２００を冷却するように構成されている。

以下、前記構成をもつ基板処理装置を使用した処理工程を説明する。

未処理のウェハ２００は２５枚がポッド１００に収納された状態で、処理工程を実施する基板処理装置へ工程内搬送装置によって搬送されて来る。図８及び図９に示されているように、搬送されて来たポッド１００はＩＯステージ１０５の上に工程内搬送装置から受け渡されて載置される。ポッド１００のキャップ及びウェハ搬入搬出口１３４を開閉する蓋１４２がキャップ開閉機構１３６によって取り外され、ポッド１００のウェハ出し入れ口が開放される。

ポッド１００がポッドオープナ１０８により開放されると、第二の搬送室１２１に設置された第二の移載機１２４はポッド１００からウェハ２００を二枚ずつピックアップし、予備室１２２に搬入し、二枚のウェハ２００を基板置き台１４０に移載する。この移載作業中には、第一の搬送室１０３例のゲートバルブ２４４は閉じられており、第一の搬送室１０３の負圧は維持されている。ウェハ２００の基板置き台１４０への移載が完了すると、ゲートバルブ１２８が閉じられ、予備室１２２が排気装置（図示せず）によって負圧に排気される。

予備室１２２が予め設定された圧力値に減圧されると、ゲートバルブ２４４，１３０が開かれ、予備室１２２、第一の搬送室１０３、第一の処理炉２０２が連通される。続いて、第一の搬送室１０３の第一の移載機１１２は基板置き台１４０からウェハ２００を二枚ずつピックアップして第一の処理炉２０２の反応室２０４に搬入する。そして、第一の処理炉２０２内に処理ガスが供給され、所望の処理がウェハ２００に行われる。

第一の処理炉２０２で前記処理が完了すると、処理済みの二枚のウェハ２００は第一の搬送室１０３の第一の移載機１１２によって第一の搬送室１０３に搬出される。
そして、第一の移載機１１２は第一の処理炉２０２から搬出したウェハ２００を第一のクーリングユニット１３８へ搬入し、処理済みのウェハを冷却する。

第一のクーリングユニット１３８に二枚のウェハ２００を移載すると、第一の移載機１１２は予備室１２２の基板置き台１４０に予め準備された二枚のウェハ２００を第一の処理炉２０２に前述した作動によって移載し、第一の処理炉２０２内に処理ガスが供給され、所望の処理がウェハ２００に行われる。

第一のクーリングユニット１３８において予め設定された冷却時間が経過すると、冷却済みのウェハ２００は第一の移載機１１２によって第一のクーリングユニット１３８から第一の搬送室１０３に搬出される。

冷却済みの二枚のウェハ２００が第一のクーリングユニット１３８から第一の搬送室１０３に搬出されたのち、ゲートバルブ１２７が開かれる。そして、第一の移載機１１２は第一のクーリングユニット１３８から搬出した二枚のウェハ２００を予備室１２３へ搬送し、基板置き台１４１に移載した後、予備室１２３はゲートバルブ１２７によって閉じられる。

予備室１２３がゲートバルブ１２７によって閉じられると、前記排出用予備室１２３内が不活性ガスにより略大気圧に戻される。前記予備室１２３内が略大気圧に戻されると、ゲートバルブ１２９が開かれ、第二の搬送室１２１の予備室１２３に対応したウェハ搬入搬出口１３４を閉塞する蓋１４２と、ＩＯステージ１０５に載置された空のポッド１００のキャップがポッドオープナ１０８によって開かれる。続いて、第二の搬送室１２１の第二の移載機１２４は基板置き台１４１から二枚のウェハ２００をピックアップして第二の搬送室１２１に搬出し、第二の搬送室１２１のウェハ搬入搬出口１３４を通してポッド１００に収納して行く。処理済みの２５枚のウェハ２００のポッド１００への収納が完了すると、ポッド１００のキャップとウェハ搬入搬出口１３４を閉塞する蓋１４２がポッドオープナ１０８によって閉じられる。閉じられたポッド１００はＩＯステージ１０５の上から次の工程へ工程内搬送装置によって搬送されて行く。

以上の動作が繰り返されることにより、ウェハが、二枚ずつ順次、処理されて行く。以上の動作は第一の処理炉２０２および第一のクーリングユニット１３８が使用される場合を例にして説明したが、第二の処理炉１３７および第二のクーリングユニット１３９が使用される場合についても同様の作動が実施される。

なお、上述の基板処理装置では、予備室１２２を搬入用、予備室１２３を搬出用としたが、予備室１２３を搬入用、予備室１２２を搬出用としてもよい。また、第一の処理炉２０２と第二の処理炉１３７は、それぞれ同じ処理を行ってもよいし、別の処理を行ってもよい。第一の処理炉２０２と第二の処理炉１３７で別の処理を行う場合、例えば第一の処理炉２０２でウェハ２００にある処理を行った後、続けて第二の処理炉１３７で別の処理を行わせてもよい。また、第一の処理炉２０２でウェハ２００にある処理を行った後、第二の処理炉１３７で別の処理を行わせる場合、第一のクーリングユニット１３８（又は第二のクーリングユニット１３９）を経由するようにしてもよい。

図７は、上述したウェハ２００に所望の処理を行う第一の処理炉２０２の概略縦断面図である。
石英製の反応容器としての反応管２０３は水平方向に扁平な空間を有しており、内部に基板としてのウェハ（図示せず）を収容する。なお、反応容器は炭化珪素製、又はアルミナ製でもよい。反応室２０４を形成する反応管２０３内部にはウェハを支持する支持具としてのウェハ支持板２１７が設けられ、反応管２０３の両端にはマニホールドとしてのガス導入フランジ２０９ａ、ガス導入フランジ２０９ｂが気密に設けられ、一方のガス導入フランジ２０９ａには更に仕切弁としてのゲートバルブ１３０を介して搬送室（図示せず（図８の搬送室１０３参照））が連接されている。ガス導入フランジ２０９ａ、ガス導入フランジ２０９ｂにはそれぞれ供給管としてのガス導入ライン２３２ａ，２３２ｂ、排気管としての排気ライン２３１ａ、２３１ｂが連通される。ガス導入ライン２３２ａ、２３２ｂには、反応管２０３内に導入するガスの流量を制御する流量制御手段２４１ａ，２４１ｂがそれぞれ設けられている。また、排気ライン２３１ａ、２３１ｂには、反応管２０３内の圧力を制御する圧力制御手段２４８ａ，２４８ｂがそれぞれ設けられている。

反応管２０３の上下にはそれぞれ加熱手段としての上ヒータ２０７ａ、下ヒータ２０７ｂが設けられ、反応管２０３内部（反応室２０４内部）を均一にもしくは所定の温度勾配を生じさせて加熱するようになっている。また、上ヒータ２０７ａ、下ヒータ２０７ｂには、それぞれのヒータ温度を制御する温度制御手段２４７が接続されている。また上ヒータ２０７ａ、下ヒータ２０７ｂおよび反応管２０３を覆うように断熱部材としての断熱材２０８が設けられている。反応管２０３内の温度（炉内温度ともいう）、反応管２０３内の圧力（炉内圧力ともいう）、反応管２０３内に供給するガスの流量は、それぞれ温度制御手段２４７、圧力制御手段２４８ａ、２４８ｂ、流量制御手段２４１ａ、２４１ｂにより、所定の炉内温度、炉内圧力、ガス流量となるよう制御される。また、温度制御手段２４７、圧力制御手段２４８ａ、２４８ｂ、流量制御手段２４１ａ，２４１ｂは、主制御部２４９により制御される。

上述した反応管２０３、ヒータ２０７ａ，２０７ｂ、ガス導入ライン２３２ａ，２３２ｂ、ガス導入フランジ２０９ａ、２０９ｂ、排気ライン２３１ａ、２３１ｂ等のうち、少なくとも反応管２０３、ヒータ２０７ａ、２０７ｂを含むものから、ウェハを処理する処理炉２０２が構成される。

次に、半導体デバイスの製造工程の一工程として、上述した基板処理装置の処理炉を用いてウェハを処理する方法について説明する。

反応管２０３内部の温度がヒータ２０７ａ，２０７ｂにより処理温度に維持された状態で、ゲートバルブ１３０が開かれ、移載機１１２によリ図中左方より反応管２０３内にウェハが搬入され、ウェハ支持板２１７に載置される。本例ではウェハ支持板２１７には２枚のウェハ（図示せず）が載置され、２枚のウェハが同時に処理される。なお、同時に処理する２枚のウェハ間の熱履歴を等しくするためにウェハは２枚同時に反応管２０３内に搬送される。ウェハが反応管２０３内に搬入されると同時にウェハの処理温度までの昇温が開始される。

移載機１１２が後退してゲートバルブ１３０が閉じられた後、反応管２０３内の圧力は処理圧力となるよう圧力制御手段２４８ａ，２４８ｂにより制御され（圧力安定化）、反応管２０３内の温度はウェハ温度が処理温度となるよう温度制御手段２４７により制御される（温度安定化）。この反応管２０３内の圧力安定化、ウェハの温度安定化の際、反応管２０３内にはガス導入ライン２３２ａ，２３２ｂより不活性ガスが導入されつつ排気ライン２３１ａ，２３１ｂより排気され、反応管２０３内は、不活性ガス雰囲気とされる。

反応管２０３内の圧力が処理圧力に安定化し、ウェハの温度が処理温度に安定化した後、反応管２０３内にガス導入ライン２３２ａ，２３２ｂより処理ガスが導入され、排気ライン２３１ａ，２３１ｂより排気されることにより、ウェハが処理される。この際、処理の均一性を確保するため、処理ガスは対角に向かって交互に流すのが好ましい。すなわち、例えば、まず処理ガスをガス導入ライン２３２ａから排気ライン２３１ｂに向かってウェハの表面に対して略水平な方向に流し、その後、それとは反対向きに、すなわちガス導入ライン２３２ｂから排気ライン２３１ａに向かってウェハの表面に対して略水平な方向に流し、所要時間毎に流れの向きを変更するのが好ましい。なお、処理の均一性が処理ガスの流れの向きに依存しないような場合は、処理ガスは一方向に向かって流れるようにしてもよい。すなわち、例えばガス導入ライン２３２ａから排気ライン２３１ｂに向かってウェハの表面に対して略水平な方向に、或はガス導入ライン２３２ｂから排気ライン２３１ａに向かってウェハの表面に対して略水平な方向に流れるようにしてもよい。

ウェハの処理が完了すると、反応管２０３内の残留ガスを除去するために、反応管２０３内には、ガス導入ライン２３２ａ、２３２ｂより不活性ガスが導入されつつ、排気ライン２３１ａ，２３１ｂより排気され、反応管内がパージされる。なお、ウェハ処理時の処理ガスの供給流量、ウェハ処理前または後の不活性ガスの供給流量は流量制御手段２４１ａ、２４１ｂにより制御される。

反応管２０３内のパージ後、反応管２０３内の圧力を圧力制御手段２４８ａ、２４８ｂにより、ウェハ搬送圧力となるよう調整する。反応管２０３内の圧力が搬送圧力となった後、ゲートバルブ１３０が開かれ、ウェハは、移載機１１２により反応管２０３より搬送室へ搬出される。

なお、上述の圧力制御手段２４８ａ、２４８ｂによる反応管２０３内の圧力制御、温度制御手段２４７による反応管２０３内の温度制御、流量制御手段２４１ａ，２４１ｂによる反応管２０３内へのガス流量制御は、主制御部２４９が各制御手段を制御することにより行われる。

ところで、上述した構成においては、特に、装置立上げ時に、反応室２０４から搬送室１０３への大きな熱移動があるため、ウェハ処理の準備時間の最適化をはかる必要がある。また、ウェハ処理枚数に応じて反応室温度環境が変るため、ウェハ毎に反応室の温度制御の最適化をはかる必要がある。

そこで、実施の形態では、装置運用のある時点において、反応室２０４と搬送室１０３の温度を定期的に監視し、反応室２０４と搬送室１０３間の熱の移動を把握することによって、ウェハ処理の立上げ準備時間、及びウェハ毎の反応室の温度制御の最適化をはかっている。

図１は、反応室２０４と第一の搬送室１０３とを例にとって説明した制御系のブロック構成図を示す。制御系は、反応室、搬送室（以下、単にモジュールともいう）間の熱の移動を把握して、その把握結果を、移載機１１２をはじめとした装置の機構制御、及び反応室２０４の温度制御に反映する。

制御対象となる枚葉式半導体製造装置は、ウェハ２００を処理する反応室２０４と、反応室２０４内のウェハ２００を加熱するヒータ２０７と、反応室２０４に隣接して設けられた搬送室１０３と、搬送室１０３に設けられ反応室２０４と搬送室１０３との間でウェハ２００を搬送する移載機１１２とを備える。反応室２０４と搬送室１０３とはゲートバルブ１３０を介して物理的に連接されている。

反応室２０４に、反応室２０４内の温度を測定する反応室温度センサとしての炉内温度センサ２１１を取り付ける。また、搬送室１０３に、搬送室１０３内の温度を測定する搬送室温度センサとしての搬送室内温度センサ２１３を取り付ける。さらにヒータ２０７にヒータ２０７の温度を検出するヒータ温度センサ２１２を取り付ける。

炉内温度センサ２１１は、反応室２０４内の適宜の場所に取り付けられる。搬送室内温度センサ２１３は、図９に示すように、搬送室１０３内の反応室２０４に対面した箇所、例えば反応室２０４を開閉するゲートバルブ１３０の直下に取り付けられる。なお、搬送室内温度センサ２１３は、反応室が複数備えられているときは、各反応室に対面した箇所に取り付けられる。また、図７に示すように、ヒータ温度センサ２１２は、各ヒータ２０７ａ、２０７ｂ内に取り付けられる。

機構制御及び温度制御を行う制御系は、温度制御手段２４７と主制御部２４９と出力装置２３０とを備える。このうち、温度制御手段２４７と主制御部２４９とから装置制御部が構成される。

前記温度制御手段２４７は、さらにコントローラ２２０と電力制御部２４０とから構成される。なお、コントローラ２２０は主制御部２４９に組み込まれるべきものであるが、ここでは説明の便宜上、主制御部２４９とは別に設けてある。
電力制御部２４０は、炉内温度センサ２１１とヒータ温度センサ２１２との測定温度に基づいて炉内温度が処理温度になるように、ヒータ２０７に通電する電力を制御する。通常、電力の制御は、サイリスタによる位相制御によって行う。

主制御部２４９は、電力制御部２４０、処理炉２０２、ゲートバルブ１３０、搬送室１０３、移載機１１２などを制御する。ここで、処理炉２０２の制御としては、反応室２０４内の圧力や、反応室２０４内に供給するガスの流量等の制御がある。また、主制御部２４９は、処理炉内で成膜処理されるウェハ枚数をカウントする処理枚数信号を出力する。

コントローラ２２０は、電力制御部２４０に、ヒータ２０７に所定の電力を与えるための温度制御信号を与える一方、枚葉式半導体製造装置の立上げ時に、主制御部２４９にウェハ処理開始指令を与えるように構成される。

コントローラ２２０は、具体的には、４つの演算部２２１〜２２４を備えている。
制御温度演算部２２１は、反応室の温度を処理温度に制御する既存の温度制御機能を有し、ヒータ温度、炉内温度、搬送室内温度に基づいて、炉内を所定の処理温度にするための制御温度信号を出力するようになっている。
差温度演算部２２２、補正温度演算部２２３及び加算器２２５，２２６は、既存の制御温度に加算温度を加えて修正する加算温度機能を有する。ここで加算温度を加えて修正するのは次の理由による。炉内温度センサ２１１には、ウェハ処理枚数にしたがって内部汚染物が付着する。内部汚染物の付着により実際より低い温度が炉内温度として測定される。このため温度制御には、温度低下分を打ち消す分の温度を加算して、その加算された設定値を温度制御の設定値とすることが必要となるからである。

差温度演算部２２２は、炉内温度、搬送室内温度及び処理枚数とに基づいて、炉内温度と搬送室温度との差である差温度を出力するようになっている。補正温度演算部２２３は、処理枚数に応じて、後述する補正温度を出力するようになっている。

準備時間演算部２２４は、装置立上げの準備時間を最適化する立上げ制御機能を有し、搬送室内温度センサ２１３単独の測定温度に基づいて、反応室２０４から搬送室１０３への熱移動が収束したと判断される搬送室内温度が、ある一定の温度（熱移動収束温度）を検出した時点で、ディレイ回路２２７を介して放置時間を経過させて、ウェハ２００の処理が可能な状態とするウェハ処理開始指令を主制御部２４９に出力する。

コントローラ２２０は、差温度演算部２２２からの差温度に、補正温度演算部２２３からの補正温度を加算器２２６で加えて加算温度を求め、この加算温度に加算器２２５で制御温度演算部２２１からの制御温度を加えたものを温度制御信号として電力制御部２４０に出力する。

出力装置２３０は、炉内温度、差温度、補正温度、またこれら以外に、ヒータ温度、搬送室内温度、またはウェハ処理枚数などが入力されることによって、これらのデータを、時間またはウェハ処理枚数を変数として可視化する。出力装置２３０としては、ディスプレイ、プリンタなどがあげられる。

次に、上述した制御系を用いて、反応室２０４と搬送室１０３間の熱の移動を把握して、得られたデータを運用制御にフィードバックする方法を説明する。ここで運用制御には、反応室２０４の温度を制御する温度制御と、枚葉式半導体製造装置を操作する機構制御とがある。
先ず、枚葉式半導体製造装置で行っている反応室の処理温度を制御する既存温度制御系の動作について述べ、次に装置立上げの準備時間を適正化する立上げ制御系、及び反応室の処理温度を適正化する加算温度制御系の動作について述べる。

Ａ．既存温度制御系の動作は次の通りである。
反応室２０４でウェハ処理を行うに先立って、まず炉内温度センサ２１１を用いて、反応室２０４の内部温度すなわち炉内温度がウェハ処理温度となるよう、温度制御手段２４７によってヒータ２０７の出力を制御する。ヒータ加熱によって炉内温度が安定した後、その時のヒータ温度センサ２１２で測定したヒータ温度を制御温度演算部２２１に記録する。すなわち、炉内温度とヒータ温度との相関を求めて、炉内温度を処理温度とするためには、ヒータ温度を何度に設定すればよいかを求めることができる温度プロファイルを取得する。以後、ウェハ処理を行う場合は、取得した温度プロファイルを用いて各ヒータ２０７に設けたヒータ温度センサ２１２にもとづいて炉内の温度制御を行う。すなわち、ヒータ温度センサ２１２、制御温度演算部２２１、電力制御部２４０、ヒータ２０７によるフィードバック制御を行う。

Ｂ．装置立上げの準備時間を適正化する立上制御系の動作は次の通りである。
図２は、反応室内でのウェハ処理を可能な状態とするまでにかかる放置時間の開始を、搬送室内温度で判断する例であり、出力装置２３０の画面に表示出力されたグラフである。装置の立上げ時、反応室２０４は温度制御手段２４７の温度制御により所定温度に設定されて、昇温を始める。このときの炉内温度センサ２１１によって測定される反応室２０４（以下、ＰＭともいう）の炉内温度Ｔ_(PM)と、搬送室内温度センサ２１３によって測定される搬送室１０３（以下、ＴＭともいう）の搬送室内温度Ｔ_(TM)とを、出力装置２３０に入力して画面に表示出力するとともに、準備時間演算部２２４によって監視する。

ＰＭからＴＭへの熱移動が収束したと判断されるＴＭの搬送室内温度Ｔ_(TM)が、ある一定の温度（熱移動収束温度Ｔ_C）に達した後、ディレイ回路２２７を介して放置時間ｔ_nを経過させ、ウェハ２００の処理が可能な状態と判断して、主制御部２４９にウェハ処理開始指令を出力する。ウェハ処理開始指令を受けた主制御部２４９は、移載機１１２を制御してウェハ２００を搬送室１０３から反応室２０４へ搬送し、温度制御を継続しつつ、圧力制御、流量制御などの一連の制御を行ってウェハ２００を処理する。

ここで、ＰＭからＴＭへの熱移動が収束したと判断されるＴＭの搬送室内温度Ｔ_(TM)が、熱移動収束温度Ｔ_Cに達したか否かの判断は、炉内温度測定値と予め設定した熱移動収束温度とをコントローラ２２０で比較して行う。

反応室２０４から搬送室１０３に移動して熱移動が収束したと判断される熱移動収束温度Ｔ_Cは、指定温度幅のことであり、経験値から判断して設定する。最適な熱移動収束温度は、反応室２０４でのウェハ処理枚数にしたがって変るので、可変とする。また、指定温度幅はプロセスにより異なるため、この点からも熱移動収束温度は可変とする。また、装置に反応室が複数存在するときは、複数の反応室のそれぞれの状態を考慮して反応室毎に熱移動収束温度を判断する。

また、熱移動収束温度Ｔ_Cに達してから、成膜処理をただちに行わず、しばらく放置させる放置時間ｔ_nは、成膜処理に影響がでない最短時間を、取得した温度データに基づく経験値から設定する。
装置立上げ時は、ＰＭからＴＭへの熱移動が急激に起こっており、ある程度（放置時間）、ＰＭとＴＭとの間で熱の均衡が実現しないと、ロット処理が開始できない。熱の均衡がはかられないうちは、ロット処理を行うと、ロットの最初のウェハと最後のウェハの膜質（特に膜厚と膜強度）が異なってしまうことになる。したがって、放置時間ｔ_nは、成膜処理に影響がでない最短時間が経験値から設定される。

最適な放置時間ｔ_nは、熱移動収束温度と同様に、反応室２０４でのウェハ処理枚数にしたがって変るので、可変とする。また、装置に反応室が複数存在するときは、複数の反応室のそれぞれの状態を考慮して、最適な放置時間ｔ_nを反応室毎に判断して設定する。

上述した熱移動収束温度Ｔ_C及び放置時間ｔ_nは、作業者の経験に基づく勘で設定されるものではない。装置立上げ時における反応室２０４や搬送室１０３の内部温度を温度センサ２１１、２１３により監視し、これを出力装置２３０で可視化する。反応室２０４と搬送室１０３との温度を比較し、反応室２０４と搬送室１０３間の熱の移動を明らかにするとともに、データとして把握する。把握したデータの管理のもとに、熱移動収束温度Ｔ_C及び放置時間ｔ_nは、最適な値として客観的に設定されるものである。

このように実施の形態の立上制御系によれば、装置立上げ時に搬送室内の温度を監視することにより、搬送室内温度が熱移動収束温度に達した後、最適な放置時間をおいてから、主制御部２４９によりウェハ２００を搬送室１０３から反応室２０４に搬送するよう移載機１１２を制御するので、ウェハ処理前の熱移動による準備時間の最適化をはかることができる。したがって、反応室から搬送室へ熱の移動が起きても、準備時間中に反応室の温度を安定させることができるので、反応室２０４の温度が安定しないままにウェハを処理することを回避できる。
また、熱移動収束温度及び放置時間は、データ管理に基づいて客観的に設定されているので、必要以上の時間が設定されることもなく、スループットの低下を招くこともない。

上述した説明では、熱移動の収束温度判定には、搬送室内温度のみで単独判断するようにしたが、これに限定されない。例えば、反応室２０４と搬送室１０３との差温度で判断するようにしてもよい。

図１において、準備時間演算部２２４へは、搬送室温度の他に、一点鎖線で示すように炉内温度も加えるようにする。準備時間演算部２２４は、搬送室温度及び炉内温度の両方の温度に基づいて、反応室２０４から搬送室１０３への熱移動が収束したと判断される搬送室内温度と炉内温度との差温度が、ある一定の温度（熱移動収束温度）を検出した時点で、ディレイ回路２２７を介して放置時間を経過させて、ウェハ２００の処理が可能な状態とするウェハ処理開始指令を主制御部２４９に出力する。

図３は、そのような熱移動の収束温度判定を、搬送室内温度に代えて差温度で行うようにした場合の例であり、出力装置２３０の画面に表示出力されたグラフである。準備時間演算部２２４に入力された炉内温度センサ２１１の炉内温度と、搬送室内温度センサ２１３の搬送室内温度とから、準備時間演算部２２４で両者の温度差を求めて、出力装置２３０に入力して画面表示出力するとともに、この温度差を準備時間演算部２２４によって監視する。そして、差温度が熱移動収束温度差（差温度）Ｔ_(TM-PM)に達した後、ディレイ回路２２７を介して放置時間ｔ_nを経過させ、ウェハ２００の処理が可能な状態と判断して、主制御部２４９にウェハ処理開始指令を出力する。

これによれば、モジュール間の熱移動収束温度を絶対値ではなく相対値で判断しているので、装置温度の変動を除くことができ、ウェハ処理前の熱移動による準備時間の最適化をより有効にはかることができる。

実施の形態によれば、上述した図２又は図３に示す２つのいずれかの判別手法を使って、最適な熱移動収束温度及び放置時間を導き出し、ウェハ処理開始可能条件の一つとして主制御部２４９にウェハ処理開始指令として入力することにより、準備時間を作業者の経験に頼る必要がなくなるので、スループットが向上する。

Ｃ．加算温度制御系の動作は次の通りである。
図４及び図５は、出力装置２３０によって画面に表示出力されたウェハ処理枚数に応じた差温度及び補正温度の変化を示すグラフである。
図４に示すように、ＰＭからのウェハ搬出時、ゲートバルブ１３０の開閉によるＰＭからＴＭへの熱移動が起きてＰＭの温度低下が生じる。ＰＭからＴＭへの熱移動におけるＰＭの温度低下について、装置運用における一時点において、差温度演算部２２２で求めたＰＭとＴＭの差温度Ｔ_(PM-TM)を、主制御部２４９で把握した処理枚数で管理し、出力装置２３０に入力して可視化する。可視化したデータから分るように、枚葉式半導体製造装置においては、搬送枚数が少ないうちは、ＰＭからＴＭへの熱の移動は急峻であるが、搬送枚数が増加するにつれ、熱の均衡が図られるためＰＭからＴＭへの熱の移動、すなわち差温度は緩やかになる。従って、ウェハ処理枚数毎に変化するこのような炉内温度環境に、反応室の温度制御を適切に対応させるために、制御温度演算部２２１による制御温度を上記差温度で補正してやる必要がある。この補正に当たって、上記一時点が重要な要素となる。

ここで、一時点とはＰＭとＴＭの雰囲気が遮断され、かつＰＭにおいてプロセス処理が行われていないゲートバルブ１３０の開直前、もしくはゲートバルブ１３０の閉直後とする。ここでゲートバルブの開直前とするか、閉直後とするかは、温度補正してからウェハ２００をＰＭに入れるか、ウェハ２００を入れてからＰＭの温度補正を行うかということと同義である。温度補正のタイミングで補正温度幅が異なり、補正温度幅が大きいと補正完了までに時間を費やすことになるから、成膜プロセスに応じて、いずれかを選択できるようにする。また、次のウェハのためにウェハ搬出直後のゲートバルブ開閉時に補正することもあるからである。

一時点が、ゲートバルブが開放される直前であると、物理的に接しているＴＭにＰＭからの熱の移動が収束し、ＰＭの温度が安定しているときの差温度を得ることができるので、ＰＭを正確に温度制御できる。また、一時点が、ゲートバルブ１３０が遮断される直後であると、ＴＭより高温であるＰＭからＴＭへの熱の移動が収束し、ＰＭの温度が安定しているときの差温度を得ることができるので、ＰＭを正確に温度制御できる。さらに、一時点が、ゲートバルブ１３０が開放される直前、及びゲートバルブ１３０が遮断される直後であると、ゲートバルブ１３０の開放前後のＰＭの温度が安定しているときの差温度を得ることができるので、ＰＭをより正確に温度制御できる。

一方、ＰＭの炉内温度の測定値はプロセス処理による内部汚染により、加熱効率が落ち、予め取得した温度プロファイルを用いてヒータ２０７に設けたヒータ加熱によって加熱されるべき炉内温度が、設定したウェハ処理温度より低くなる。この傾向は処理枚数が増加するにつれ顕著になる。よって、図５に示すように、それを補正する加算温度は加速的に上がる傾向にある。このグラフは経験値より予め設定しておく。従って、ウェハ処理枚数毎に変化するこのような炉内温度環境に、反応室の温度制御を適切に対応させるために、制御温度を上記補正温度からも補正してやる必要がある。

よって、差温度が、経験から得られた補正許容範囲内にある場合において、主制御部２４９からの処理枚数に応じて、可視化した図４の表示画面から、差温度演算部２２２で差温度を演算し、可視化した図５の表示画面から補正温度演算部２２３で補正温度を演算して、それぞれを取り出し、加算器２２６を使って式（１）に示す加算演算を行う。
差温度＋補正温度＝加算温度（１）
この制御温度演算部２２１から出力されるＰＭの制御温度に式（１）の加算温度を加算器２２５で加えて、これを電力制御部２４０への補正された温度制御信号とする。

上述した加算温度制御系の実施の形態によれば、反応室からの基板搬出時に、反応室と搬送室間に設けたゲートバルブの開放により、反応室から搬送室への熱の移動が起きても、これらの熱移動をカバーするため、反応室内の制御温度を、ウェハ処理枚数を考慮にいれた適正な温度補正をしている。したがって、全てのウェハに個別的、具体的に反応室内の温度制御補正が行われるため、ウェハ処理枚数毎に変化する反応室温度環境に、反応室の温度制御を適切に対応させることができ、ウェハ間の熱履歴を一定にできる。

上述した実施の形態の既存温度制御系、立上制御系及び加算温度制御系により制御された運用状況の概略をグラフ化すれば、図６に示す通りになる。すなわち、装置立上げ時後の最初ウェハの処理前には最適な準備時間を確保して、反応室から搬送室への物理的熱移動や、ゲートバルブの開閉の影響を最小にして、反応室温度を速やかにウェハの処理温度にもっていくことができる。また２枚目以降においても、熱の移動を考慮した適正な補正を行うことによって、処理枚数で変化する炉内モニタ温度にもかかわらず、実炉内温度をウェハの処理温度に保持することができる。これにより最終目的であるウェハ間の熱履歴を一定化に保つことができる。
なお、図６には示していないが、従来の制御温度演算部２２１のみによる温度制御では、ウェハ処理枚数の増加にともなって実炉内温度が徐々に低下していったり、あるいは、ウェハ処理枚数を考慮しないで、一時的かつ意図的に上げて温度補正などしている場合では、不適正な温度補正により、実炉内温度がウェハ処理温度から外れていた。

以上述べたように、本実施の形態によれば、熱の移動について、装置運用時に各モジュールの温度を継続的に監視し、データ管理している。そして、温度監視データを管理し、可視化することにより、モジュール間の温度差、熱移行を明らかにし、装置制御に反映するようにしている。その結果、ウェハ処理前の熱移動による準備時間の最適化を計るようにしたので、スループットを向上でき、また、ウェハ処理枚数に応じて反応室内の温度制御の適正化を計るようにしたので、ウェハ間の熱履歴を一定に保ってウェハを処理することができる。

なお、上述した実施の形態において、差温度演算部２２２、補正温度演算部２２３、及び準備時間演算部２２において、演算により差温度、補正温度、及び熱移動収束温度を演算により求めてもよいが、予め用意したルックアップテーブルを用いて求めるようにしてもよい。

また、冷たい被処理基板を移載機で反応室に搬入したときに起きる反応室の温度低下や、加熱された処理済み基板を反応室から移載機で搬出したときに起きる反応室の温度上昇などの一時的な現象も、熱移動として反応室と移載機間で発生していると考えられる。上述した実施の形態では、このような一時的現象は温度制御の補正対象としていない。これらの一時的現象は、プロセス処理における内部汚染による加熱効率の低下と比べてはるかに小さいからである。しかし、必要に応じてこれらの一時的現象を補正対象とすることも可能である。

実施の形態による枚葉式半導体製造装置の制御に反映する制御系のブロック構成図である。実施の形態による枚葉式半導体製造装置の立上げ時の熱移動収束温及び放置時間を、搬送室温度をもとに最適化する説明図である。実施の形態による基板処理装置の立上げ時の熱移動収束温及び放置時間を、反応室と搬送室との温度差をもとに最適化する説明図である。実施の形態によるウェハ処理枚数に応じた反応室と搬送室との温度差を可視化した特性図である。実施の形態によるウェハ処理枚数に応じたヒータ補正温度を可視化した特性図である。実施の形態による炉内温度の運用状況を示す温度グラフ図である。実施の形態による処理炉の概略を示す略断面図である。実施の形態による基板処理装置の概要を示す平面図である。実施の形態による基板処理装置の概要を示す略断面図である。

符号の説明

１１２移載機
１０３搬送室
１３０ゲートバルブ
２００ウェハ（基板）
２０４反応室
２０７ヒータ（加熱手段）
２１１炉内温度センサ（反応室温度センサ）
２１２ヒータ温度センサ
２１３搬送室内温度センサ（搬送室温度センサ）
２２０コントローラ
２３０出力装置
２４０電力制御部
２４７温度制御手段
２４９主制御部

Claims

温度制御される雰囲気下で基板を処理する反応室と、
この反応室に隣接して設けられ、前記反応室に前記基板を搬送する移載機を設けた搬送室と、
前記反応室及び前記搬送室の温度をそれぞれ測定する反応室温度センサ及び搬送室温度センサと
を備えて、前記反応室温度センサ及び搬送室温度センサ値を前記反応室の温度制御に反映させるようにしたことを特徴とする基板処理装置。