JP2008258534A - 基板処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】メンテナンス作業の実施周期を長くして、熱処理を繰り返した場合でも、製品を安定的に生産でき、その生産性を向上させる。
【解決手段】基板を収容する反応室と、反応室を加熱する加熱手段と、反応室内の温度を測定する温度センサとを備え、前記温度センサによる検出温度に基づいて前記加熱手段を制御して温度制御を行う基板処理装置であって、基板処理を行った累積値である実行累積値と、前記温度センサによる反応室内の検出温度の誤差との関係を取得し、該関係を経時誤差として格納しておき、前記実行累積値に対応した前記経時誤差を用いた補正を行って前記温度制御を行うようにした。
【選択図】図３

Description

本発明は、レシピに基づいて反応室内を目標温度に設定し、基板に熱処理を行って前記レシピに対応した所定膜厚の成膜処理を行う基板処理装置に関する。

基板処理装置として、半導体製造装置における縦型ＣＶＤ炉を例に従来技術を説明する。

縦型ＣＶＤ炉の構造例を図６に示す。図６に示した縦型ＣＶＤ炉は、炉内を加熱するためのヒータ１０１と、ヒータ１０１近傍の温度を検出する外部熱電対１０２と、反応管１０４の中の温度を検出する内部熱電対（温度センサ）１０５と、熱処理するための基板１０３を搭載したボート１０６と、装置操作部１０８から指定された設定温度Ｙと外部熱電対１０２及び内部熱電対１０５の検出温度とからヒータ１０１への操作量Ｚ（電力値）を求める温度コントローラ１０７から構成されている。

ヒータ１０１は、炉内温度をより高精度に制御するためにゾーン分割されており、たとえば４ゾーン分割の場合には、上部から順にＵ、ＣＵ、ＣＬ、Ｌゾーンなどと呼ばれる。それぞれのゾーンごとに、外部熱電対１０２と内部熱電対１０５が設置されている。

この縦型ＣＶＤ炉における温度制御の目的は、熱処理するための基板１０３近傍に設定された内部熱電対１０５の検出温度を設定温度Ｙと一致させることである。

図７に装置操作部１０８の構造例を示す。装置操作部は、作業者が装置の動作情報を確認したり、各種設定を行ったりするための操作画面部２０１と、レシピ（処理シーケンス情報）や各種パラメータテーブルを保存するためのデータ保存部２０２と、温度コントローラとの間でデータの送受信を行う温度コントローラ間通信部２０３と、これらを制御する制御部２０４から構成される。装置操作部は、温度コントローラに対して、作業者が設定した設定温度やパラメータ設定を送信するとともに、温度データやヒータパワー値を受信して、受信したデータを装置情報として操作画面部２０１に表示したり、記憶領域に保存したりする。

次に、図６の縦型ＣＶＤ炉で、一般に使用される処理シーケンスについて説明する。

図８（ａ）は、縦型ＣＶＤ炉で行われるプロセス処理の一例のフローチャートを示し、図８（ｂ）は、そのときの炉内の温度変化の概略を示したものである。ステップＳ１は、炉内の温度を比較的低い温度Ｔ₀で安定させる処理である。ステップＳ１では、ボートはまだ炉内へ挿入されていない。

ステップＳ２は、ボートを炉内に挿入する処理（ボートロード）である。ステップＳ３は、設定温度Ｔ₀から基板に成膜処理等のプロセス処理を施すための設定温度Ｔ₁まで徐々に炉内の温度を上昇させる処理（ランプアップ）である。

ステップＳ４は基板にプロセス処理を施すために炉内の温度を設定温度Ｔ₁で安定させる処理である。ステップＳ５は、設定温度Ｔ₁から再び比較的低い設定温度Ｔ₀まで徐々に炉内の温度を下降させる処理（ランプダウン）である。ステップＳ６は、プロセス処理が施された基板を搭載しているボートを炉内から引き出す処理である。

上記の処理シーケンスは、作業者が装置操作部の操作画面部２０１から随時設定し、データ保存部２０２に保存した後、実行される。

レシピは、目的のプロセス処理の内容や温度特性を実現するために、ガス流量や圧力、温度設定等を時系列に設定する。そして、そのレシピを使用してプロセス処理を実行した結果（成膜特性および温度変化特性）に応じて、生産（半導体製造）の前に調整される（レシピチューニング）。

レシピチューニング作業が終了すると、生産（半導体製造）が開始される。
生産は、レシピチューニング後のレシピを繰り返し実行するが、熱処理を繰り返すことによって、装置内部の反応管、ボート、内部熱電対などに生成物が付着し、温度特性が徐々に変化する場合がある。具体的には、内部熱電対の保護管表面に生成物が付着し、実際の反応管内部の温度は４９５℃であるのに、内部熱電対では５００℃と測定されるような場合がある。

このような場合、温度コントローラは５００℃で制御しているのに、実際の熱処理温度は４９５℃と差があるために、熱処理の品質が劣化し、処理した基板が製品として使用できない場合がある。

このようなことを避けるために、ある周期ごとに生産を止めて、装置内部の反応管、ボート、内部熱電対などに付着した生成物を洗浄するなどのメンテナンス作業を実施し、装置の状態を以前の状態に回復させるような作業を行っているが、生産を止めて実施するために、生産性が低下するので、できるだけメンテナンス作業の実施周期を長くする必要がある。

このため、メンテナンス作業の実施周期を長くして、熱処理を繰り返した場合でも、製品を安定的に生産できる温度制御技術が求められていた。

なお、本発明に関連する従来技術としては、特許文献１が知られている。
特開２００２−１７５１２３号公報

本発明は、上記実情に鑑みて為されたもので、メンテナンス作業の実施周期を長くして、熱処理を繰り返した場合でも、製品を安定的に生産でき、その生産性を向上させることを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明は、基板を収容する反応室と、反応室を加熱する加熱手段と、反応室内の温度を測定する温度センサとを備え、前記温度センサによる検出温度に基づいて前記加熱手段を制御して温度制御を行う基板処理装置であって、基板処理を行った累積値である実行累積値と、前記温度センサによる反応室内の検出温度の誤差との関係を取得し、該関係を経時誤差として格納しておき、前記実行累積値に対応した前記経時誤差を用いた補正を行って前記温度制御を行うようにしたことを特徴とする。

この場合、基板処理を行った累積値である実行累積値と、前記温度センサによる反応室内の検出温度の誤差との関係においては、前記レシピを繰り返して得られる膜厚の累積値である累積膜厚と、前記反応室内の目標温度に対して、レシピを実行して前記基板に成膜される膜厚の所望値からの変動値との関係とすることができ、これら関係を前記経時変動値として格納しておくようにする。

なお、実施の形態においては、半導体基板を収容する反応室と、反応室を加熱する加熱手段と、反応室内の温度を測定する温度センサとを備え、前記温度センサによる検出温度に基づいて前記加熱手段を制御して温度制御を行う半導体装置の製造方法であって、半導体基板の熱処理を行った累積値である実行累積値と、前記温度センサによる反応室内の検出温度の誤差との関係を取得し、該関係を経時誤差として格納しておき、前記実行累積値に対応した前記経時誤差を用いた補正を行って前記温度制御を行うようにした半導体装置の製造方法が記載されている。

また、実施の形態においては、基板を収容する反応室と、反応室を加熱する加熱手段と、反応室内の温度を測定する温度センサとを備え、前記温度センサによる検出温度に基づいて前記加熱手段を制御して温度制御を行う基板処理装置の温度制御方法であって、基板の熱処理を行った累積値である実行累積値と、前記温度センサによる反応室内の検出温度の誤差との関係を取得し、該関係を経時誤差として格納しておき、前記実行累積値に対応した前記経時誤差を用いた補正を行って前記温度制御を行うようにした基板処理装置の温度制御方法が記載されている。

また、実施の形態においては、各処理基板を収容する反応室と反応室を加熱する加熱手段と、加熱手段の温度を測定する温度センサと、反応室内の温度を測定する温度センサを備えた基板処理装置において、反応室内の実際の温度と、反応室内の温度を測定する温度センサの測定温度の関係を、熱処理の実行累積に応じた時系列的な特性データとして取得し、その取得した関係を打ち消す補正値をテーブルに設定して、半導体生産時には、熱処理の実行累積に応じた補正値をテーブルから算出し、その補正値で補正した設定温度で、反応室内の温度を測定する温度センサの温度を制御することを特徴とする基板処理装置が開示されている。

本発明によれば、メンテナンス作業の実施周期を長くして、熱処理を繰り返した場合でも、製品を安定的に生産でき、その生産性を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態においては、基板処理装置として、半導体製造装置の縦型拡散炉を例にとって説明する。

図１は、本実施の形態の縦型拡散炉（縦型ＣＶＤ炉）における均熱調整時における構成を示す概略構成図、図２は、図１の縦型拡散炉の外壁の内部を示す拡大図である。なお、レシピ時の構成は図６、装置操作部の構成は図７に示したものと同じである。

図１および図２に示した縦型拡散炉１０は、外壁１１の中に配置された均熱管１２と反応管１０４と、炉内を加熱するためのヒータ１０１と、ヒータ１０１の温度を検出する外部熱電対（ヒータ熱電対）１０２（１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄ）と、均熱管１２と反応管１０４との間の温度を検出するカスケード熱電対（温度センサ）１０５（１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃ，１０５ｄ）と、基板温度（基板および基板の配置された領域の温度）を検出するための熱電対付き基板である基板１８ａ，１８ａ'，１８ｂ，１８ｂ'，１８ｂ"，１８ｃ，１８ｃ'，１８ｄを含む複数の基板を搭載したボート１０６と、ヒータ熱電対１０２（１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄ）およびカスケード熱電対１０５（１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃ，１０５ｄ）の検出温度と目標温度Ｙとからヒータ１０１への操作量Ｚ（電力値）を求める温度コントローラ１０７とから構成されている。

上述の例においては、炉内の基板領域の温度を高精度に制御するために、炉内は、４つの加熱ゾーン、すなわち、上部から順にＵ，ＣＵ，ＣＬ，Ｌゾーンに分割されている。各ゾーンにおいては、図示しないそれらのヒータ端子間に高周波電力が印加可能とされており、各ゾーン毎に高周波電力量を変えて印可することができる。これにより各ゾーン毎に温度制御が可能であり、全ゾーンに亘って均一に、または所望する温度勾配を付けて温度調整することが可能である。

そして、これらのＵ，ＣＵ，ＣＬ，Ｌゾーンのそれぞれに対応して、ヒータ熱電対１０２（１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄ）とカスケード熱電対１０５（１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃ，１０５ｄ）とがそれぞれ設置されている。また、ボート１０６に搭載された基板のうち、これらのＵ，ＣＵ，ＣＬ，Ｌゾーンを代表する位置に、熱電対付き基板が１枚ずつ（１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ）、Ｕ，ＣＵゾーン間およびＣＬ，Ｌゾーン間にはそれぞれ１枚ずつ、ＣＵ，ＣＬゾーン間には２枚の合計８枚が配置されている。

均熱調整方法の最も基本的な形態は、所定位置での検出温度をその目標温度とするよう、少なくとも１つの加熱ゾーンを有する加熱装置を制御する温度制御方法において、前記加熱ゾーンの数よりも多い複数の所定位置での温度を検出し、検出された複数の検出温度の最大値と最小値の間に前記目標温度が含まれるように前記加熱装置を制御するようにすることである。

この縦型拡散炉１０における基板領域の均熱調整方法においては、まず、実際に製品（半導体装置）を製造する前準備として、製品製造に際して行われる温度制御における目標温度の補正値を取得することから行われる。この目標温度の補正値は、基板領域の温度を均熱にするためにカスケード熱電対の検出温度の目標温度に対して用いられる。

すなわち、実際の製品製造に際して行われる温度制御においては、熱電対付き基板の位置には通常の製品用の基板が配置され、基板そのものの温度検出はできない。そこで、温度コントローラ１０７は、常時配置されているカスケード熱電対１０５（１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃ，１０５ｄ）の検出温度の目標温度に対して、上記補正値を適用した温度制御を行うことにより、基板領域の温度を均熱にする温度制御を行うことができる。

なお、本実施の形態においては、これを基本構成として、更に特開２００２−１７５１２３号公報に記載されているように、複数の検出温度と目標温度との差の平均値が最小となるように温度制御を行うようにすることもできる。

均熱調整において、こうして取得された目標温度の補正値を用いて温度制御を行うことにより経時変化がない場合は、安定した制御を行うことができるが、従来技術に述べたように、レシピ（基板処理）の累積実行により内部熱電対１０５のような温度センサによる検出温度に誤差が生じてくる。

そこで、本実施の形態では、上記均熱調整法によって得られた補正値を用いてレシピチューニングを行うと共に、基板処理を行った累積値である実行累積値によって変動する温度センサの誤差を取得し、レシピチューニングにより得られる熱処理の制御温度（レシピチューニング結果）を温度センサの誤差に基づいて補正して行くようにする。

以下、本実施の形態の動作を図３のフローチャートに従って説明する。
まず、目的のプロセス処理の内容や温度特性を実現するために、レシピチューニング作業を完了する（Ｓ８０１）。

次に、生産開始前に、レシピチューニング後のレシピを数回繰り返し、反応管内部の実際の温度と、内部熱電対の測定温度の変化具合を測定し、測定した結果に応じて、その変化を打ち消すような補正値（レシピチューニング補正値）を、図４に示す熱処理変化補正テーブルに設定する（Ｓ８０２）。過去の特性変化のデータがあればそれをコピーしてもよい。

図４の熱処理変化補正テーブルは、熱処理の繰り返し実行の指標の一つである累積膜厚（単位はÅ：オングストローム）を列方向に、温度制御の各ゾーンを行方向として、各ゾーンごとに、累積膜厚に応じた補正値を設定できる構造となっている。

たとえば、Ｕゾーンにおいて、１０００Åの累積膜厚の状態では、反応管内部の実際の温度より、内部熱電対の測定温度が、２℃高く測定される特性の場合、温度制御は２℃低く制御することで、反応管内部の実際の温度を正しく制御できるので、Ｕゾーンの１０００Åの補正値を−２℃と設定する。

同様に、他のゾーンや累積膜厚ごとの補正値を設定する。テーブル内の累積膜厚項目も編集可能とし、図４のように、１０００、２０００、とせず１００、２００、としたり、１０００、３０００、４０００、と間隔を変えたりすることも可能とする。

累積膜厚０Åは補正値０℃、各累積膜厚間は線形補間とした場合、図４の熱処理変化補正テーブルの補正値は、図５のような補正値の変化となる。半導体製造装置の特性によっては、累積膜厚０Åは補正値０℃以外としたり、各累積膜厚間は指数関数変化としたり、変更することもできる。また、熱処理の繰り返し実行の指標を累積膜厚とせず、単純にレシピの繰り返し回数とすることもできる。

熱処理変化補正テーブルは、実行するレシピによって使い分けることも考慮し、複数のテーブルを設定し、保存可能としている。図４の例では、８個のテーブルが設定・保存可能である。

このように反応管内部の実際の温度と、内部熱電対の測定温度の変化具合を測定し、その変化を打ち消すような補正値を、熱処理変化補正テーブルに設定後、生産を開始する（Ｓ８０３）。

生産のためにレシピが実行されると、各ゾーンごとに、現在の累積膜厚と、レシピで選択された熱処理変化補正テーブルを使用して、実行中の累積膜厚に応じた補正値を算出し、その補正値でレシピの設定温度を補正して、温度制御を実行する（Ｓ８０４）。

レシピ終了後（Ｓ８０５）、熱処理の結果から、熱処理の劣化があるかを確認し（Ｓ８０６）、無ければレシピ実行を繰り返し、あれば熱処理変化補正テーブルの補正値を変更する（Ｓ８０７）。補正値の変更は、測定誤差も考慮し、少しずつ変更する。

熱処理の結果、処理温度が低めであったと確認できた場合は（膜厚が薄いなど）、補正値をプラス方向に変更し、処理温度が高めであったと確認できた場合は（膜厚が厚いなど）、補正値をマイナス方向に変更する。

膜厚が何Å厚い（または薄い）場合、補正値をプラス（またはマイナス）方向に何℃変更させるかのパラメータ（単位は℃／Å）を設定してもよい。

以上の構成において得られた補正値（テーブル）を累積膜厚が従来のものより大きな所定値となるまで取得し、例えば温度コントローラ１０７の図示しないメモリに格納する。一度該半導体製造装置のメンテナンスがあった場合は、その後のレシピ実行においては、格納された補正値（テーブル）を用いてレシピを行うようにすることで、長い周期にわたり安定した熱処理を行うことができて、安定した製品を製造することができ、生産性を向上させることができる。

なお、本実施の形態は基板処理装置として、半導体製造装置に本発明を適用する場合について説明したが、本発明は、ガラス基板を処理するＬＣＤ装置にも適用可能である。また、熱処理については、ＣＶＤ、酸化、拡散、アニール等の各処理に適用できる。

本実施の形態の縦型拡散炉（縦型ＣＶＤ炉）における均熱調整時における構成を示す概略構成図である。 図１の縦型拡散炉の外壁の内部を示す拡大図である。 本実施の形態の動作を示すフローチャートである。 熱処理変化補正テーブル（レシピチューニング結果の補正テーブル）を示す図である。 図４に示した補正テーブルにおける補正値の変動を示す図である。 縦型ＣＶＤ炉の構造例を示す構成図である。 装置操作部を示すブロック図である。 （ａ）は、縦型ＣＶＤ炉で行われるプロセス処理の一例のフローチャートを示し、（ｂ）は、そのときの炉内の温度変化の概略を示した図である。

符号の説明

１０ 縦型拡散炉、１２ 均熱管、１０１ ヒータ、１０２ 外部熱電対、１０３ 基板（ウェーハ）、１０４ 反応管、１０５ 内部熱電対、１０７ 温度コントローラ、１０８ 装置操作部。

Claims (1)

1. 基板を収容する反応室と、反応室を加熱する加熱手段と、反応室内の温度を測定する温度センサとを備え、前記温度センサによる検出温度に基づいて前記加熱手段を制御して温度制御を行う基板処理装置であって、
   基板処理を行った累積値である実行累積値と、前記温度センサによる反応室内の検出温度の誤差との関係を取得し、該関係を経時誤差として格納しておき、
   前記実行累積値に対応した前記経時誤差を用いた補正を行って前記温度制御を行うようにしたことを特徴とする基板処理装置。

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