JP2005183485A

JP2005183485A - 枚葉式ランプ加熱装置

Info

Publication number: JP2005183485A
Application number: JP2003418511A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Horiuchi; 淳堀内
Original assignee: Semiconductor Leading Edge Technologies Inc
Current assignee: Semiconductor Leading Edge Technologies Inc
Priority date: 2003-12-16
Filing date: 2003-12-16
Publication date: 2005-07-07

Abstract

【課題】その目的は、低温領域から高温領域までの広範囲の温度領域で正確にウェーハの温度を制御することができる枚葉式ランプ加熱装置を得る。
【解決手段】内部にウェーハ１１を取り込むチャンバー１２と、ウェーハ１１を加熱するランプ１３と、ウェーハ１１の温度を測定する測定温度領域が異なる複数の温度センサー１４，１５と、複数の温度センサー１４，１５を用いて低温領域から高温領域まで連続して測定したウェーハ１１の温度をランプ１３のパワーにフィードバックさせて、ウェーハ１１の温度をクローズドループ制御する制御部１６，１７を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、測定したウェーハの温度をランプのパワーにフィードバックさせてクローズドループ制御する枚葉式ランプ加熱装置に関するものである。

デバイスの微細化に伴い、サーマルバジェットを低減させるため、枚葉式加熱装置において、高温短時間の熱処理を行うランプ加熱装置が用いられるようになってきた。特に、近年では、ＳＰＩＫＥＡＮＮＥＡＬのように保持温度の時間が１秒以下という装置も用いられている。

この枚葉式ランプ加熱装置は、内部にウェーハを取り込む石英のチャンバーと、このチャンバーの上部及び下部に設けられ、ウェーハを加熱するランプを有する。そして、ウェーハ下部には、パイロメータやウェーハ接触式の熱電対などの温度センサーが設けられる。ここで、従来は、温度センサーとして、パイロメータ又は熱電対のどちらか一方を用いていた。ただし、同じ温度センサーを複数用いる場合はあった。

また、ランプのパワーの制御方式として、一般的に、温度センサーを用いて測定したウェーハの温度をフィードバックするクローズドループ制御が用いられる。そして、フィードバックする温度のサンプリング周期は５〜５０ｍｓｅｃが一般的である。

従来の枚葉式ランプ加熱装置では、温度センサーとして、パイロメータ又は接触式熱電対のどちらか一方を用いていた。しかし、パイロメータと熱電対には、それぞれ以下のような長所短所がある。

パイロメータは、ウェーハから放射される赤外線の特定波長を測定するものであり、測定温度領域は４００℃以上である。しかし、シリコンウェーハの熱処理では、低温になるほどランプ光である赤外線がシリコンウェーハを透過する割合が多くなってノイズとなり、実際に温度制御可能な領域は６００℃以上である。そのため、パイロメータを用いた枚葉式ランプ加熱装置で１０００℃の加熱処理を行う場合、６００℃までは、ランプのパワーを一定にして温度制御を行わないオープンループ制御で加熱を行い、６００℃に達した時点からクローズドループ制御を開始していた。

また、オープンループ制御では、ウェーハの種類や構造によってランプ光の吸収率の違いがあるので、あまり急激に温度が変わるようなパワーをかけることはできない。そのため、通常は２０〜４０秒で６００℃程度になるように加熱する。一方、クローズドループ制御での昇温は、１００℃／ｓｅｃ以上である。従って、オープンループ制御の時間は、プロセス時間の中で多くの割合を占め、スループット向上の妨げになる。

ところで、パイロメータを用いて温度をモニターする場合、ウェーハの放射率によってパイロメータの出力に自動補正をかける必要がある。しかし、ウェーハの構造によっては昇温途中で放射率が変わる場合がある。例えば、裏面に１００ｎｍ程度のポリシリコンが堆積されたウェーハを１０００℃で熱処理するため加熱昇温すると、７５０℃近辺で急激に結晶性が変わり、放射率が急激に変化する。このような場合には、放射率の補正ができず、温度の測定値が大きく変動し、温度制御できなくなる。

図２は、ウェーハを８５０℃で熱処理するため、パイロメータを用いて温度をモニターしながら加熱昇温した場合のウェーハの温度変化である。図２に示すように、７６０℃付近で温度制御できなくなり、放射率の補正が追いつくまでに１秒ほどかかっている。これを解消するには、図３に示すように、７５０℃までオープンループ制御で加熱し、７５０℃から温度制御を開始して、７６０℃で５秒間温度を保持し、結晶性が安定するのを待ってから昇温すればよい。しかし、サーマルバジェットを減らすという点においては７６０℃での保持は好ましくない。

一方、ウェーハ接触式の熱電対では、測定温度領域は１００℃程度から１１００℃である。また、放射率の補正もないので、熱処理中にウェーハの放射率が変わっても問題ない。しかし、ランプ加熱においては、熱電対自体がランプ光を吸収して熱を持ってしまうので温度の読み取り誤差が生じる。この読み取り誤差はウェーハの構造にも依存し、特に９００℃以上の高温領域では正確な温度の読み取りが難しくなる。また、温度変化に対する応答性がパイロメータに比べ劣っているため、高速昇降温プロセスでは温度のオーバーシュート、アンダーシュートの制御が難しい。従って、最近のランプ加熱装置の温度センサーとしてパイロメータが主流となっている。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、低温領域から高温領域までの広範囲の温度領域で正確にウェーハの温度を制御することができる枚葉式ランプ加熱装置を得るものである。

本発明に係る枚葉式ランプ加熱は、内部にウェーハを取り込むチャンバーと、ウェーハを加熱するランプと、ウェーハの温度を測定する測定温度領域が異なる複数の温度センサーと、複数の温度センサーを用いて低温領域から高温領域まで連続して測定したウェーハの温度をランプのパワーにフィードバックさせて、ウェーハの温度をクローズドループ制御する制御部を有する。本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。

本発明により、低温領域から高温領域までの広範囲の温度領域で正確にウェーハの温度を制御することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る枚葉式ランプ加熱装置を示す模式図である。この枚葉式ランプ加熱装置は、内部にウェーハ１１を取り込む石英のチャンバー１２と、このチャンバー１２の上部及び下部に設けられ、ウェーハ１１を加熱するランプ１３を有する。また、低温用温度センサーとしてウェーハ１１の裏面に接触するように熱電対１４が設けられ、高温用温度センサーとしてパイロメータ１５が設けられている。これらの温度センサーは、特に７００〜９００℃において、双方の温度センサー間で温度差が無いように温度校正されている。なお、ここでは、高温用と低温用の２種類の温度センサーを設けた場合を例に取って説明するが、これに限らず、温度領域により更に温度センサーの数を増やしてもよい。

さらに、ランプ１３のパワーを制御するランプコントローラ１６と、温度センサー１４，１５で測定された温度を受けてランプコントローラ１６を制御するＰＩＤコントローラ１７が設けられている。このランプコントローラ１６及びＰＩＤコントローラ１７からなる制御部は、温度センサー１４，１５を用いて低温領域から高温領域まで連続して測定したウェーハ１１の温度をランプ１３のパワーにフィードバックさせて、ウェーハ１１の温度をクローズドループ制御するものである。

ここで、ＰＩＤは、Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ（比例）ｌｎｔｅｇｒａｌ（積分）Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ（微分）の略である。そして、ＰＩＤコントローラ１７を用いたＰＩＤ制御は、目標値との偏差に対して比例動作（ランプ１３のパワーを上げる動作）、偏差の積分に比例する積分動作、偏差の微分に比例する微分動作の３つの動作を含む。また、ＰＩＤ制御には３つの係数があり、それぞれ比例ゲイン、積分時間、微分時間と呼ばれている。これらの係数を最適化することで目標値との偏差の少ない制御が可能となる。

上記の構成を有する本実施の形態に係る枚葉式ランプ加熱装置の動作を説明する。まず、ウェーハ１１をチャンバー１２に搬入後、パージを行い、オープンループ制御で２００℃まで加熱する。この加熱時間は１０秒以内である。

次に、２００℃から８００℃までは、低温用温度センサーである熱電対１４を用いてウェーハ１１の温度を測定し、この測定温度をランプ１３のパワーにフィードバックするクローズドループ制御による加熱昇温を行う。そして、制御部により、温度設定値が設定温度８００℃に達した時点で、高温用温度センサーであるパイロメータ１５を用いてウェーハ１１の温度を測定してクローズドループ制御する加熱昇温に切り替える。ただし、この切り替えは、測定温度が設定温度８００℃に達した時点で行ってもよい。また、設定温度は、任意の温度に設定することができる。そして、切り替えと同時に、ＰＩＤコントローラ１７の各係数もパイロメータ１５用に変更するようにしておく。こうすることで、熱電対１４を用いた制御からパイロメータ１５を用いた制御ヘスムーズに移行できる。

次に、目的のプロセス温度で所定時間保持して熱処理を行う。この熱処理における温度測定には、高温用温度センサーであるパイロメータ１５を用いる。そして、熱処理が終了した後、ウェーハ１１をプロセス温度から搬送可能な温度まで冷やし、チャンバー１２から搬送する。

以上説明したように、本実施の形態に係る枚葉式ランプ加熱装置は、ウェーハの温度を測定する測定温度領域が異なる複数の温度センサーを有する。そして、制御部により、低温領域から高温領域まで連続して測定したウェーハの温度をランプのパワーにフィードバックさせてクローズドループ制御する。これにより、低温領域から高温領域までの広範囲の温度領域で正確にウェーハの温度を制御することができる。具体的には、温度センサーとしてパイロメータ及び熱電対を用いた場合、パイロメータだけを用いた場合には不可能であった６００℃以下での温度制御が可能であり、かつ、熱電対だけを用いた場合には不可能であった１０００℃以上の高温での温度制御も可能である。

また、低温領域からの温度測定を可能としたことで、オープンループ制御による加熱時間が少なくなり、スループットの改善が期待できる。さらに、７００〜８００℃付近で放射率が変わるポリシリコン膜を有するウェーハでも、途中で温度保持することなく目的温度まで一定の昇温速度で加熱することができる。

また、ウェーハの構造によって放射率が変わるが、複数の温度センサーの測定温度領域は、それぞれ任意に設定することができるため、ウェーハの構造に応じて各温度センサーの測定温度領域を設定すれば、途中で温度保持することなく目的温度まで一定の昇温速度で加熱することができる。

本発明の実施の形態に係る枚葉式ランプ加熱装置を示す模式図である。ウェーハを８５０℃で熱処理するため、パイロメータを用いて温度をモニターしながら加熱昇温した場合のウェーハの温度変化を示す図である。７５０℃までオープンループ制御で加熱し、７５０℃から温度制御を開始して、７６０℃で５秒間温度を保持し、結晶性が安定するのを待ってから昇温した場合のウェーハの温度変化を示す図である。

符号の説明

１１ウェーハ
１２チャンバー
１３ランプ
１４熱電対（温度センサー）
１５パイロメータ（温度センサー）
１６ＰＩＤコントローラ（制御部）
１７ランプコントローラ（制御部）

Claims

内部にウェーハを取り込むチャンバーと、
前記ウェーハを加熱するランプと、
前記ウェーハの温度を測定する測定温度領域が異なる複数の温度センサーと、
前記複数の温度センサーを用いて低温領域から高温領域まで連続して測定した前記ウェーハの温度を前記ランプのパワーにフィードバックさせてクローズドループ制御する制御部を有することを特徴とする枚葉式ランプ加熱装置。
前記複数の温度センサーの測定温度領域は、それぞれ任意に設定することができることを特徴とする請求項１記載の枚葉式ランプ加熱装置。