JP2008227426A - 基板位置ズレ検出方法及び基板位置ズレ検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基板載置台に基板を載置し、基板載置台を回転させて加熱しながら基板に処理を施す際、簡単に取付けることができ、且つ半導体基板処理装置の処理炉内に設置せずに基板の位置ズレを高精度に検出するための基板位置ズレ検出方法及び基板位置ズレ検出装置
を提供する。
【解決手段】半導体基板処理装置が具備する基板載置台４に基板５を載置し、基板載置台４を回転させて加熱しながら基板５に処理を施す際、基板５の基板載置台４における位置ズレを検出する方法及びその装置１であって、基板載置台４の上方に設置してある熱放射量測定機２によって基板５又は基板載置台４の熱放射量を測定し、該測定値を演算機３により判定することにより基板５の位置ズレを検出することを特徴とする基板位置ズレ検出方法及び基板位置ズレ検出装置１。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体基板処理装置が具備する基板載置台に半導体基板を載置し、基板載置台を回転させて加熱しながら基板に処理を施す際の基板の位置ズレを検出するための基板位置ズレ検出方法及び基板位置ズレ検出装置に関する。

高温処理を行う半導体基板処理装置では、半導体基板が基板載置台の所定の位置に載置されたときに最も良好な処理条件になるよう調整されるため、基板面内で全体に均一な処理を施すためには、基板を載置台の所定の位置に載置する必要がある。もし、基板が載置台の所定の位置からズレていた場合には、基板面内で均一に処理が施されず、処理後の半導体基板の品質悪化に直結する。従って、半導体基板の位置ズレは管理すべき非常に重要な項目のひとつである。

一般に、半導体基板を水平な基板載置台に載置して基板載置台を回転させながら加熱し、処理を施す半導体基板処理装置（例えば特許文献１参照）では、そのほとんどが前の工程の装置から半導体基板をロボットにより搬送し、基板載置台に載置している。そのため、半導体基板の位置ズレを軽減するには、そのロボットの動作精度を向上する研究がなされてきた。

しかしながら、いくら基板を基板載置台に載置するロボットの精度を上げても、ロボットが基板を載置台に乗せる瞬間に、基板と載置台の間の空気層により基板が載置台の上に浮上した状態となり、基板載置台がわずかでも傾斜していると、基板は基板載置台の上を滑り、所定の位置に載置されない場合があった。そしてこのように所定の位置に載置されなかった基板は、基板載置台上で位置ズレを発生させたまま処理が施されてしまい、不良品となっていた。

そこで基板の位置ズレを精度良く検出するためには、ロボットの載置動作後に基板の位置を確認すればよいのだが、半導体基板は高温となる半導体基板処理装置の処理炉内にあるため、高温環境から検出装置を守るための大掛かりな保護壁が必要となる。従って、基板の位置ズレをコンパクトな装置で簡便に検出する方法がなかった。

特開２００４−１１１６３０号公報

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、半導体基板処理装置が具備する基板載置台に半導体基板を載置し、基板載置台を回転させて加熱しながら基板に処理を施す際、簡単に取付けることができ、且つ半導体基板処理装置の処理炉内に設置せずに基板の位置ズレを高精度に検出するための基板位置ズレ検出方法及び基板位置ズレ検出装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、半導体基板処理装置が具備する基板載置台に半導体基板を載置し、該基板載置台を回転させて加熱しながら前記基板に処理を施す際、前記基板の前記基板載置台上における位置ズレを検出する方法であって、前記基板載置台の上方に設置してある熱放射量測定機によって前記基板又は前記基板載置台の熱放射量を測定し、該測定値を演算機により判定することにより基板の位置ズレを検出することを特徴とする基板位置ズレ検出方法を提供する（請求項１）。

また本発明は、半導体基板処理装置が具備する基板載置台に半導体基板を載置し、該基板載置台を回転させて加熱しながら前記基板に処理を施す際、前記基板の前記基板載置台上における位置ズレを検出するための基板位置ズレ検出装置であって、少なくとも、前記基板載置台の上方に設置され、且つ前記基板又は前記基板載置台の熱放射量を測定するための熱放射量測定機と、該熱放射量測定機によって測定された測定値から基板の位置ズレを検出するための演算機とを具備するものであることを特徴とする基板位置ズレ検出装置を提供する（請求項４）。

このように本発明では、基板載置台の上方に設置してある熱放射量測定機によって基板又は基板載置台の熱放射量を測定し、該測定値を演算機により判定することにより基板の位置ズレを検出する。これにより、基板載置台及び基板の全面を観測する必要がなく、基板載置台及び基板は回転しているので、熱放射測定機の真下のみ熱放射量を測定すれば、その測定値から基板の位置ズレを精度良く検出することができる。

また、基板位置ズレ検出装置の測定部分である熱放射量測定機は簡単に半導体基板処理装置に取付けることができ、さらに判定部分である演算機は半導体基板処理装置の処理炉の外に設置することができるので、高温環境から検出装置を守るための大掛かりな保護壁を必要としない。そしてこのようなコンパクトな基板位置ズレ検出装置であっても、簡単且つ高精度に基板の位置ズレを検出することができる。
従って、たとえ所定の位置に載置されない基板があっても、確実に基板の位置ズレを検出することができるので、基板の位置ズレによる半導体基板の不良品を確実に無くすことができる。

そして、前記演算機による判定の際、前記測定値の振動の大きさから基板の位置ズレを検出することができ（請求項２）、前記演算機は、前記測定値の振動の大きさから基板の位置ズレを検出するものであることが好ましい（請求項５）。
このように、前記熱放射量測定機が測定した測定値の振動の大きさから、演算機が基板の位置ズレを検出するものであることにより、より簡単且つ正確に基板の位置ズレを検出することができる。

さらに、前記演算機による判定の際、前記測定値から前記基板載置台の回転周期に一致する変動成分を抽出し、該抽出値の振動の大きさから基板の位置ズレを検出することが好ましく（請求項３）、前記演算機は、前記測定値から前記基板載置台の回転周期に一致する変動成分を抽出し、該抽出値の振動の大きさから基板の位置ズレを検出するものであることが好ましい（請求項６）。
このように、演算機による判定の際、測定値から基板載置台の回転周期に一致する変動成分を抽出し、該抽出値の振動の大きさから基板の位置ズレを検出することにより、基板載置台の温度設定を基板の処理中に変化させても、簡単にかつ高精度で基板の位置ズレを検出することができる。

以上説明したように、本発明の基板位置ズレ検出方法及び基板位置ズレ検出装置であれば、半導体基板処理装置に簡単に取付けることができ、且つ半導体基板処理装置の処理炉内に設置せずに基板の位置ズレを高精度に検出することができ、位置ズレが検出されたときはただちに製造を中止することにより基板の位置ズレによる半導体基板の不良品を確実に無くすことができるとともに、無駄な製造コストを削減できる。

前述したように、従来では、特に高温となる半導体基板処理装置では、基板の位置ズレ検出装置を処理炉内に設置することができず、そのような半導体基板の位置ズレを簡便に検出する方法がなかった。

また、例えば、三角測量式のレーザー距離センサーや画像センサーなど対象物までの距離を測定できる装置を使用すれば、半導体基板処理装置の処理炉の外から基板の位置ズレを検出することが出来るが、レーザー距離センサーを使用する場合は、レーザーの入射側と観測側の両方の光路を含む比較的大きな観測窓を半導体基板処理装置の処理炉に設ける必要がある。

さらに、画像センサーを使用することも考えられるが、この場合も同様に、情報を面で捕らえるための比較的大きな観測窓が必要となり、これらのセンサーを基板の位置ズレ検出装置に使用すると、半導体基板処理装置を設計するときに、著しくその構造が制限されてしまう。また特に、既存の半導体基板処理装置に、大きな観測窓を必要とする基板の位置ズレ検出装置を取付ける場合は、観測窓と光路を確保するため、ヒーター、断熱材、水冷ジャケット等の大幅な改造が必要となるという問題が発生する。

そこで本発明者らは、このような問題を解決すべく、鋭意研究を重ねた結果、半導体基板処理装置が具備する基板載置台に半導体基板を載置し、該基板載置台を回転させて加熱しながら基板に処理を施すといった半導体基板処理装置について、簡便な装置及び方法で基板の位置ズレを高精度に検出するには、熱放射量測定機によって基板又は基板載置台の熱放射量を測定することにより基板の位置ズレを検出すれば良いことに想到し、本発明を完成させた。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
図１は、本発明に係る基板位置ズレ検出装置の一実施形態を示す概略図である。本発明の基板位置ズレ検出装置１は、基板載置台４の上方に設置され、且つ基板５又は基板載置台４の熱放射量を測定するための熱放射量測定機２と、該熱放射量測定機２によって測定された測定値から基板５の位置ズレを検出するための演算機３とを具備するものである。

そして、本発明にかかる基板位置ズレ検出装置１は、ロボットハンド（不図示）により半導体基板５を基板載置台４に載置し、支持軸８の下に設けられている回転駆動機（不図示）により支持軸８を介して基板載置台４を回転させ、基板５を加熱しながら処理を施すといった半導体基板処理装置に取付けることにより、基板５の位置ズレを検出することができる。

これにより、基板載置台４及び基板５の全面を観測機により観測する必要がなく、基板載置台４及び基板５が回転しているので、熱放射測定機２の真下のみ熱放射量を測定すれば、その測定値から基板５の位置ズレを検出することができる。

また、基板位置ズレ検出装置１を熱放射量測定機２と、基板５の位置ズレを検出するための演算機３から構成するものとすることにより、基板位置ズレ検出装置１の測定部分である熱放射量測定機２は、細くてコンパクトなもので、半導体基板処理装置の処理炉６に簡単に取付けることができる。取付けは、基板載置台４の上方に設置するため、熱放射量測定機２を差し込むための貫通孔９を処理炉６に設け、その貫通孔のサイズに合わせた小さい観測窓７をはめ込むだけでよい。
さらに、基板位置ズレ検出装置の判定部分である演算機３は、半導体基板処理装置の処理炉６の外に設置することができるので、高温環境から検出装置を守るための大掛かりな保護壁を必要としない。

それ故、半導体基板処理装置の処理炉６に基板位置ズレ検出装置１を簡単に取付けることができ、且つ半導体基板処理装置の処理炉６内に基板位置ズレ検出装置１を設置せずに基板の位置ズレを高精度に検出することができる。従って、基板の位置ズレによる半導体基板の不良品を確実に無くすことができる。

さらに、新規の半導体基板処理装置を設計するにあたっても、三角測量式のレーザー距離センサーや画像センサーなど、比較的大きな観測窓を処理炉に設ける必要がないため、半導体基板処理装置を設計するときにそれほど構造が制限されず、設計の自由度が大きくなる。また特に、既存の半導体基板処理装置に本発明の基板位置ズレ検出装置１を取付ける場合であっても、小さな貫通孔９と小さな観測窓７を設ければよいので、ヒーター、断熱材、水冷ジャケット等の大幅な改造を必要としない。従って、処理炉の温度分布に悪影響を及ぼすこともない。

しかし、このような簡便な基板位置ズレ検出装置であっても、確実に基板の位置ズレを検出することができ、半導体製造装置のコスト削減も図れる上に、不良品を削減でき、半導体基板製造の歩留を向上することができる。
尚、熱放射量測定機としては、被測定物の熱放射量を温度に換算する放射温度計を用いることができる。

また、演算機３は、熱放射量測定機２で測定した測定値の振動の大きさから基板の位置ズレを検出するものであることが好ましい。
このように、熱放射量測定機２が測定した測定値の振動の大きさから、演算機３が基板の位置ズレを検出するものであることにより、より簡単且つ正確に基板の位置ズレを検出することができる。

さらに、演算機３は、熱放射量測定機２で測定した測定値から基板載置台４の回転周期に一致する変動成分を抽出し、該抽出値の振動の大きさから基板５の位置ズレを検出するものであることが好ましい。
このような演算機３とすることで、基板載置台４の温度設定を基板５の処理中に変化させても、簡単に基板の位置ズレを検出することができる。

以下、本発明に係る基板位置ズレ検出装置１を使用し、基板の位置ズレを検出する方法について、いくつかの実施形態を図面を参照しながら説明する。特に、熱放射量測定機２として、基板載置台の設定温度と比較しやすい放射温度計を使用した場合で説明するが、被測定物の熱放射量を測定できるのもであれば同様の検出ができるので、本発明において熱放射量測定機は放射温度計に限定されない。

図２は、本発明に係る基板位置ズレ検出方法の第一の実施形態を説明する図であり、図２（Ａ）は基板の位置が所定位置に納まっている場合で、図２（Ｂ）は基板の位置が所定位置からズレている場合である。尚、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）の上段は断面図であり、下段は平面図である。
まず、本発明の基板位置ズレ検出方法の第一の実施形態は、図２のように、放射温度計２の測定点１０を基板載置台４における半導体基板の所定位置１１の外周より少し外側に置く形態である。

そして、図３は、図２の検出方法で測定された結果を示す図である。図３の点線Ａは図２（Ａ）で測定された測定値、つまり基板が位置ズレしていないときの測定値であり、実線Ｂは図２（Ｂ）で測定された測定値、つまり基板が位置ズレしているときの測定値である。図３の鎖線Ｃは所望の閾値を示す。

最も明瞭な判定を演算機３で行うには、放射温度計２の測定点１０を、基板載置台４の基板所定位置１１の外周より少し外側とするとよい。図２（Ａ）のように基板５が所定の位置１１に納まっている場合には、基板載置台４を回転させても基板５が放射温度計２の測定点１０に入ることはないので、図３の点線Ａのように放射温度計２の示す温度はほぼ一定となる。

図２（Ｂ）のように基板５が所定位置１１からズレている場合には、基板載置台４の回転に伴い基板５が放射温度計２の測定点１０に出入りする。そのため、たとえ基板５と基板載置台４との両者の温度が同じであっても熱放射率の差により、図３の実線Ｂのように放射温度計の示す温度は大きく変動する。この変動の幅に対して図３の鎖線Ｃのようにあらかじめ適切な閾値を設定しておけば基板５の位置ズレを検出することができる。

次に、図４は、本発明に係る基板位置ズレ検出方法の第二の実施形態を説明する図であり、図４（Ａ）は基板がザグリに納まっている場合で、図４（Ｂ）は基板がザグリの縁に乗り上げている場合である。尚、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）の上段は断面図であり、下段は平面図である。
本発明の基板位置ズレ検出方法の第二の実施形態は、図４のように、基板５の移動を防止するためのザグリ１２が形成された基板載置台４を使用する場合に、放射温度計２の測定点１０を基板の外周より内側に置く形態である。

そして、図５は、図４の検出方法で測定された結果を示す図である。図５の点線Ａは図４（Ａ）で測定された測定値、つまり基板が位置ズレしていないときの測定値であり、図５の実線Ｂは図４（Ｂ）で測定された測定値、つまり基板が位置ズレしているときの測定値である。図５の鎖線Ｃは所望の閾値を示す。

基板載置台４に基板５を納めるためのザグリ１２が設けられている場合には、放射温度計２の測定点１０を基板上の任意の位置に置くこともできる。
図４（Ａ）のように基板５が所定の位置にある場合には、基板載置台４を回転させても基板５が均一に加熱されているので、図５の点線Ａのように放射温度計の示す温度測定値はほぼ一定となる。

図４（Ｂ）のように基板５が本来あるべき位置からズレて、基板載置台４に設けられたザグリ１２の縁に乗り上げている場合には、基板５と基板載置台４の接触状態が場所によって異なり、ザグリ１２の縁に乗り上げた側とザグリ１２の底に接する側とで温度差が生じる。これにより、基板５に温度分布が生じ、基板載置台４の回転に伴って放射温度計２が測定する温度測定値は図５の実線Ｂのように変動する。この変動の幅に対して図５の鎖線Ｃのようにあらかじめ適切な閾値を設定しておけば基板５の位置ズレを検出することができる。

このとき、基板載置台４の回転中心から測定点１０が遠ければ遠いほど、測定される温度測定値の変動幅は大きくなるので、放射温度計２の測定点１０は、基板載置台４の回転中心から遠い方が好ましい。

以上の二形態は、基板載置台４の設定温度を変化させない場合であったが、放射温度計２による温度測定値は、基板５の位置ズレ以外で変動することもある。例えば、基板載置台４の温度設定値を変化させたときに、温度制御が間に合わずに変動する場合があるし、基板５に成膜を施すような場合には、成膜とともに光の干渉によって熱放射率が変化し、温度が変動しているかのように見える場合もある。

これらのような場合には、以下に説明するように、本発明の基板位置ズレ検出方法の第三の実施形態を適用することが好ましい。図４のように、基板載置台４にザグリ１２が形成されている場合で、且つ基板５の処理中に基板載置台４の設定温度を変化させたときの形態である。

図６は、図４の場合で設定温度を変化させたときの温度変化を示す図である。図６（Ａ）は基板がザグリに納まっている場合で、図６（Ｂ）は基板がザグリの縁に乗り上げている場合である。尚、図６（Ａ）及び図６（Ｂ）の上段は基板載置台４の設定温度を示すグラフ、中段は放射温度計２で測定された温度測定値を示すグラフ、下段は演算機３により回転周期に一致する変動成分を抽出した大きさを示すグラフである。

放射温度計２の測定点１０を基板５の外周より内側に置き、放射温度計２の温度測定値を演算機３であるコンピュータを用いてデータ処理を行い、温度変動の内の基板載置台４の回転周期に一致する変動成分を抽出し、該抽出値の振動の大きさとあらかじめ設定しておいた閾値とを比較して基板５の位置ズレを検出する。このように回転周期に一致する変動成分を抽出することにより温度設定値の変更や熱的外乱、見かけの反射率の変動などの回転周期に一致しない温度変動の成分を排除して、位置ズレだけを正確に検出することが出来る。

具体的には、時刻ｉの回転周期ｔ秒に一致する振動成分Ａ_ｉを計算するには、データ取得間隔がｓ秒のｎ個の温度測定値Ｔ_ｊ：ｊ＝ｉ−（ｎ−１）…ｉに対して次の演算を施せばよい。

この成分抽出の様子を図示したのが図６である。
図６（Ａ）の上段のように装置の設定温度を変更すると多くの場合、測定温度は図６（Ａ）の中段のようにしばらく変動した後、一定の温度に落ち着く。このような場合の温度変動は半導体基板の位置ズレによるものではなく、温度制御システムが働いた結果であるため、位置ズレと判断されないようにする必要がある。図６（Ａ）の下段は、図６（Ａ）の中段に対して上式を適用して回転周期に一致する成分を抽出した結果であるが、温度制御による変動は回転周期に一致しないため回転周期に一致する成分の大きさは破線で示した閾値を越えない。

一方、図６（Ｂ）の中段のように位置ズレが起こっていて温度変動に回転周期に一致する成分があった場合には、図６（Ｂ）下段のように抽出した結果が破線で示した閾値を越えるので位置ズレと正しく検出される。
これにより、基板載置台の温度設定を基板の処理中に変化させても、簡単にかつ高精度で基板の位置ズレを検出することができる。

以下に本発明の実施例を挙げて、本発明をより詳細に説明するが、これらは本発明を限定するものではない。
（実施例）
図１に示すような本発明に係る基板位置ズレ検出装置１を、半導体基板処理装置の一つである成膜装置に取付け、上記で説明した本発明に係る基板位置ズレ検出方法の第一実施形態で、基板の位置ズレの検出を実際のラインで行った。その結果、２００枚の処理基板のうち３枚程度の位置ズレを本発明の基板位置ズレ検出装置で検出することができた。
これは、実際に別の観測窓から目視により基板の位置を確認したものと同じ結果であった。

従って、本発明の基板位置ズレ検出方法及びその装置であれば、成膜装置の処理炉内に基板位置ズレ検出装置を設置せずに基板の位置ズレを確実に検出することができることが証明された。また、本発明のような基板位置ズレ検出装置であれば、設計の自由度を保つことができ、さらに大幅な半導体基板処理装置の改造を必要せず、簡単に取付けることができる。そして、このような簡便な基板位置ズレ検出装置及びその方法であっても、確実に基板の位置ズレを検出することができ、半導体製造装置のコスト削減も図れる上に、不良品を削減でき、半導体基板製造の歩留を向上することができる。

尚、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

本発明に係る基板位置ズレ検出装置の一実施形態を示す概略図である。 本発明に係る基板位置ズレ検出方法の第一の実施形態を説明する図であり、（Ａ）は基板の位置が所定位置に納まっている場合、（Ｂ）は基板の位置が所定位置からズレている場合である。 図２の検出方法で測定された結果を示す図である。 本発明に係る基板位置ズレ検出方法の第二の実施形態を説明する図であり、（Ａ）は基板がザグリに納まっている場合、（Ｂ）は基板がザグリの縁に乗り上げている場合である。 図４の検出方法で測定された結果を示す図である。 図４の場合で設定温度を変化させたときの温度変化を示す図であり、（Ａ）は基板がザグリに納まっている場合、（Ｂ）は基板がザグリの縁に乗り上げている場合である。

符号の説明

１…基板位置ズレ検出装置、 ２…熱放射量測定機（放射温度計）、
３…演算機、 ４…基板載置台、 ５…（半導体）基板、 ６…処理炉、
７…観測窓、 ８…支持軸、 ９…貫通孔、 １０…測定点、
１１…所定位置、 １２…ザグリ。

Claims (6)

1. 半導体基板処理装置が具備する基板載置台に半導体基板を載置し、該基板載置台を回転させて加熱しながら前記基板に処理を施す際、前記基板の前記基板載置台上における位置ズレを検出する方法であって、
   前記基板載置台の上方に設置してある熱放射量測定機によって前記基板又は前記基板載置台の熱放射量を測定し、該測定値を演算機により判定することにより基板の位置ズレを検出することを特徴とする基板位置ズレ検出方法。
2. 前記演算機による判定の際、前記測定値の振動の大きさから基板の位置ズレを検出することを特徴とする請求項１に記載の基板位置ズレ検出方法。
3. 前記演算機による判定の際、前記測定値から前記基板載置台の回転周期に一致する変動成分を抽出し、該抽出値の振動の大きさから基板の位置ズレを検出することを特徴とする請求項１に記載の基板位置ズレ検出方法。
4. 半導体基板処理装置が具備する基板載置台に半導体基板を載置し、該基板載置台を回転させて加熱しながら前記基板に処理を施す際、前記基板の前記基板載置台上における位置ズレを検出するための基板位置ズレ検出装置であって、少なくとも、
   前記基板載置台の上方に設置され、且つ前記基板又は前記基板載置台の熱放射量を測定するための熱放射量測定機と、
   該熱放射量測定機によって測定された測定値から基板の位置ズレを検出するための演算機とを具備するものであることを特徴とする基板位置ズレ検出装置。
5. 前記演算機は、前記測定値の振動の大きさから基板の位置ズレを検出するものであることを特徴とする請求項４に記載の基板位置ズレ検出装置。
6. 前記演算機は、前記測定値から前記基板載置台の回転周期に一致する変動成分を抽出し、該抽出値の振動の大きさから基板の位置ズレを検出するものであることを特徴とする請求項４に記載の基板位置ズレ検出装置。
   

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