JP2009238773A - ウェハ熱処理装置における温度計測方法、並びに温度制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ウェハ熱処理装置において、ウェハの温度分布を詳細に計測することができる温度計測方法を提供する。
【解決手段】個別に投入電力の制御を可能とする誘導加熱コイル１８と、当該誘導加熱コイル１８によって加熱領域が定められたグラファイト２４とを有するウェハ熱処理装置１０により加熱されるウェハ３０の温度を計測する方法であって、ウェハ３０における表面の温度分布をサーモグラフィユニット６０で計測し、計測された温度データに基づいて前記ウェハ３０における間接加熱領域単位の平均温度を算出することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ウェハ熱処理装置における温度計測方法、並びに当該温度計測方法を利用した温度制御方法に係り、特に熱処理対象とするウェハ全体の温度分布を高精度に保つ温度制御を行う場合に好適な温度計測方法、並びに温度制御方法に関する。

半導体ウェハや液晶ウェハ等の被処理部材を急速昇温させる技術として、誘導加熱を用いることは知られている。誘導加熱を用いて半導体ウェハ等を加熱する場合の技術としては、グラファイト等の高抵抗部材で構成したサセプタの上に半導体ウェハを載置し、前記サセプタを誘導加熱するというものである。このような技術によれば、半導体ウェハは、誘導加熱により急速昇温したサセプタからの輻射熱や伝達熱を受けて短時間で昇温されることとなる。このような技術を基幹として、本願出願人は特許文献１に開示するような誘導加熱を用いた熱処理技術を提案している。

特許文献１に開示されている技術は、複数の誘導加熱コイルを近接させて配置して加熱制御を行おうとする際に生ずる問題点である相互誘導による加熱制御の不具合を解決するための技術である。この技術を用いることによれば、近接配置した複数の誘導加熱コイルに対する投入電力の制御を確実に行うことが可能となる。そして、近接配置された各誘導加熱コイルに対する投入電力の制御を確実に行うことが可能となることにより、被誘導加熱部材であるグラファイトの温度分布を均一に、あるいは任意の温度勾配を持たせた状態で、急速昇温させることが可能となるのである。
特表２００５−５２９４７５号公報

上記特許文献１に開示した技術を用いることによれば、被誘導加熱部材であるグラファイトの温度分布制御を任意に行うことは可能となる。しかし、被処理部材である半導体ウェハ等の温度分布制御を高精度に行おうとした場合、誘導加熱コイルに対する電力の多寡を定めるための温度検出の精度、すなわち半導体ウェハ等の被処理部材の温度分布の検出精度が問題となる。

例えば従来は温度検出手段として、接触式の温度検出手段である熱電対や、否接触式の温度検出手段である放射温度計等が用いられていたが、このような温度検出手段にはそれぞれ、次のような問題がある。

まず熱電対は、直接被処理部材に接触させて温度検出ができないため、グラファイト等の被誘導加熱部材の温度を計測し、この値に基づいて被処理部材の温度を推定するため、温度データの正確性、信頼性に欠けるという問題を有する。

次に放射温度計は、スポット計測であるため、被処理部材全体の温度分布を知ることができないという問題がある。また、放射温度計は、スポット範囲を広くした場合、スポット範囲内に温度勾配が存在すると、計測値自体の信頼性が劣化するといった問題もある。

上記のような問題から、従来は被処理部材の高精度な温度検出ができなかった。そこで本発明では、ウェハ熱処理装置において、ウェハの温度分布を詳細に計測することができる温度計測方法、及びこのような温度計測方法を利用した高精度な温度分布制御を実現可能な温度制御方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的のうちの少なくとも１つを解決するためのものであり、上記目的を達成するための本発明に係るウェハ熱処理装置における温度計測方法は、個別に投入電力の制御を可能とする誘導加熱コイルと、当該誘導加熱コイルによって加熱領域が定められた被誘導加熱部材とを有するウェハ熱処理装置により加熱されるウェハの温度を計測する方法であって、前記ウェハにおける表面の温度分布をサーモグラフィユニットで計測し、計測された温度データに基づいて前記ウェハにおける間接加熱領域単位の平均温度を算出することを特徴とする。

また、上記のような特徴を有する温度計測方法において、前記平均温度は、前記各間接加熱領域の温度を計測するものとして定められた、前記サーモグラフィユニットの画素の中から無作為に選出した複数点の画素に記録された温度データを比較し、比較した温度データの中において最も高い温度と最も低い温度を示すデータを有する画素の温度データを除いた温度データに基づく平均値とすることができる。

このようにして平均温度を算出するようにすれば、選出された計測温度データの中に特異点（温度が極端に高いデータ、または温度が極端に低いデータ）が含まれていた場合であっても、計測対象とされた間接加熱領域の平均温度を精度良く導き出すことができる。

また、上記のような特徴を有する温度計測方法では、前記平均温度は、前記各間接加熱領域の温度を計測するものとして定められた、前記サーモグラフィユニットの画素の中から無作為に選出した複数点の画素に記録された温度データを比較し、最も近い温度データと比較した際に、誤差範囲として予め定められた閾値以上の差がある画素の温度データを除いた温度データに基づく平均値とすることもできる。

このようにして平均温度を算出するようにすれば、他の温度データに比べて誤差範囲以上の温度差のある温度データを除いて平均温度を求めることとなるため、選出された画素の数が少ない場合であっても、平均温度を精度良く導き出すことができる。

また、本発明に係るウェハ熱処理装置における温度制御方法は、上記いずれか１に記載のウェハ熱処理装置における温度計測方法により導きだされた前記平均温度に基づいて、間接加熱領域毎の前記平均温度の差が小さくなるように、前記被誘導加熱部材における前記各加熱領域を加熱する前記誘導加熱コイルへの投入電力調整することを特徴とする。

さらに、本発明に係るウェハ熱処理装置における温度制御方法は、上記いずれか１に記載のウェハ熱処理装置における温度計測方法により導きだされた前記平均温度に比べ、許容値として予め定められた閾値以上高い温度データを有するサーモグラフィユニットの画素が複数集合する画素群を検出した場合、発熱部材や熱伝達部材とウェハとが接触したことを示す接触データとして記録すると共に、前記画素群の検出対象とされた前記間接加熱領域を加熱する加熱領域の温度を低下させるように、該当する加熱領域を誘導加熱する誘導加熱コイルへの投入電力を低下させることを特徴とするものであっても良い。

上記のようなウェハ熱処理装置における温度計測方法によれば、熱処理対象とするウェハの温度分布を詳細に計測することが可能となる。
また、上記のようなウェハ熱処理装置における温度制御方法によれば、熱処理対象とするウェハの温度分布を高い精度で制御することが可能となる。

以下、本発明のウェハ熱処理装置における温度計測方法、並びに温度制御方法に係る実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態は、本発明に係る一部の実施形態であって、本発明の技術的範囲は以下の実施形態のみに拘束されるものでは無い。

まず、図１を参照して、本発明の温度計測方法、並びに温度制御方法を実施するためのウェハ熱処理装置１０について説明する。なお、ウェハ熱処理装置１０の構成については一例にすぎず、主要な構成以外が変更された場合であっても、本発明の実施に影響を及ぼすものでは無い。

図１に示すウェハ熱処理装置１０は、コールドウォール式の加熱炉である。当該ウェハ熱処理装置１０は、熱処理炉１３と当該熱処理炉１３の内部に備えられたコイルユニット１７に電力を供給する電力制御ユニット３２、及び熱処理炉１３の内部に配置される半導体ウェハや液晶ウェハ等（以下単にウェハ３０と称す）の温度分布を検出するサーモグラフィユニット６０とを基本として構成される。

前記熱処理炉１３は、ケーシング１２と加熱・冷却ユニット１４とから構成されている。
前記ケーシング１２は、熱処理炉１３の外郭であり、プロセス室５０を構成する。本実施形態に係るケーシング１２には、上部に覗き窓１２ａが設けられている。覗き窓１２ａは、詳細を後述するサーモグラフィユニット６０によりウェハ３０表面の温度分布を検出するための窓であり、透光性（赤外線透過性）を有するフッ化バリウム等により構成すると良い。前記加熱・冷却ユニット１４は、熱処理の対象とするウェハ３０を加熱または冷却するためユニットである。加熱・冷却ユニット１４は、外殻を構成するステージ１６と、その内側に配設されるコイルユニット１７、第１の断熱部材２０、均熱部材２１、第２の断熱部材２２、被誘導加熱部材であるグラファイト２４、及び隔離板２６とから構成される。

前記ステージ１６は、セラミックや石英等の非導電性耐熱部材により形成されていると良い。
また、コイルユニット１７は、管状部材（断面矩形を含む中空部材）により構成され、内部に冷却水や冷却ガス等の冷媒を挿通させることを可能な誘導加熱コイル１８を複数（本実施形態の場合、誘導加熱コイル１８ａ〜１８ｆの６つ）、近接させて配置する構成とすると良い。

ここで、誘導加熱コイル１８を上記のような構成とすることにより、誘導加熱により発熱したグラファイト２４の熱によりコイル自体が過熱されることを防止することができると共に、コイルに投入（提供）する電力をカットまたは調整することで、冷却管としての役割を担うことが可能となる。そして、このような構成の誘導加熱コイル１８には、当該誘導加熱コイル１８に電力を提供し、グラファイト２４（隔離板２６）並びにウェハ３０の加熱状態を制御するための、電力制御ユニット３２が接続されている。

本実施形態におけるコイルユニット１７の全体構成は、例えば半径の異なる複数の円形（Ｃ型）コイルを同心円上に近接配置する形態を採ったものであれば良い（例えば、特開２００６−２７８１５０号公報：図１参照）。このようにして配置された誘導加熱コイル１８に対して電力の供給を行う電力制御ユニット３２は、近接配置した誘導加熱コイル１８間における相互誘導の影響を回避し、各誘導加熱コイル１８に対する投入電力の制御を個別に行うことを可能とするため、例えば次のような構成のものとすると良い。

すなわち、図示しない位相検出器と、共振型インバータ３４（３４ａ〜３４ｆ）、並びに順変換部３６、および電源部３８とを基本とするユニットである。ここで、前記位相検出器とは、各誘導加熱コイル１８に供給されている各電流波形のゼロクロスを検出することで、各誘導加熱コイル１８に供給されている各電流波形の位相差を求める手段である。また、前記共振型インバータ３４とは、各誘導加熱コイル１８に対応させてそれぞれ設けられる直列共振型のインバータであり、例えば単相のフルブリッジインバータやハーフブリッジインバータなどであれば良い。本実施形態に係る共振型インバータ３４は、入力電圧のパルス幅を制御してデューティ比を変化させる事で、誘導加熱コイル１８に供給する電力の調整と、電流周波数の位相制御の双方を可能とする。前記順変換部３６は、電源部３８より供給される交流電流（例えば三相交流電流）を直流電流に変換する役割を担う。そして、前記電源部３８は、各共振型インバータ３４に接続された順変換部３６へ交流電流を供給する役割を担う。なお、共振型インバータ３４と順変換部３６との間には、図示しない平滑回路が備えられている。また、各共振型インバータ３４には、電流波形の位相の調整、及び電力の調整をするための信号を各共振型インバータ３４に出力する位相・電力調整器４０が接続されている。

このような構成の電力制御ユニット３２を備えることによれば、各誘導加熱コイル１８に投入した電流間の位相差を検出、制御し、当該位相差が零または予め設定された位相差となるように調整することができる。よって、円形を成すように近接配置された各誘導加熱コイル１８には、所望する電力を投入することが可能となり、誘導加熱コイル１８に対する投入電力の多寡を調整することができる。したがって、被誘導加熱部材であるグラファイト２４の加熱割合、すなわち温度分布の制御を自在に行うことが可能となり、隔離板２６、及び気体層２９を介したウェハ３０の熱処理を高精度に行うことができる。

また、本実施形態に係る電力制御ユニット３２は、図２に示す回路図のように（図２に示す回路図は２ゾーン）、プロセス室５０を構成する熱処理炉１３の外部に端子４２（４２ａ，４２ｂ）を設け、これを接地するようにしている。接地箇所は、共振コンデンサ４４（４４ａ，４４ｂ）や回路抵抗Ｒ（Ｒａ，Ｒｂ）といった電気要素の影響を受け難い熱処理炉１３の外部近傍であって、誘導加熱コイル１８との間に電気素子を介在させない位置とすることが望ましい。このような構成とすることで、誘導加熱コイル１８の対地間電圧を下げることができる。このため、各構成要素間における接触抵抗を低減させることのできるヘリウム（Ｈｅ）ガスや水素（Ｈ）ガスをコイル室５２の雰囲気に適用することでパッシェン放電の生じる最小の放電開始電圧が低下した場合であっても、誘導加熱コイル１８間におけるパッシェン放電を防止することができる。

ここで、パッシェン放電は、電気素子が置かれた環境の圧力Ｐ、および電気素子間の距離Ｄによって、パッシェン放電が生ずる電圧Ｖｓが求まる。例えば、コイル室５２雰囲気をＨｅとした場合、圧力Ｐと距離Ｄの積Ｐ・Ｄが５．３（Ｐａ・ｍ）のときに１５６（Ｖ）という最小の放電開始電圧が求まる。上記のようにして接地箇所を定めることにより、対地間電圧は誘導加熱コイル１８間の電圧のみを考慮したものとなり、上記のような最小の放電開始電圧よりも低くすることが可能となり、パッシェン放電を防ぐことができる。具体的な例を示すと、共振コンデンサ４４、回路抵抗Ｒ間の端子間電圧を６００Ｖ、誘導加熱コイル１８の端子間電圧を１００Ｖとした場合、接地端子との間に共振コンデンサ４４と回路抵抗Ｒとを介在させると、誘導加熱コイル１８に関する対地間電圧は７００Ｖとなってしまう。これに対し、本実施形態のように接地端子４２を配置することによれば、対地間電圧は誘導加熱コイル１８の端子間電圧のみを対象とすることができ、１００Ｖとなるのである。

また、前記第１の断熱部材２０は、熱容量の小さな物質であると良く、例えばポリイミドフィルム、具体的にはカプトン（東レ・デュポン）を挙げることができる。また、均熱部材２１は、熱伝導率が高く、熱容量の低い部材であれば良い。例えばシリコンなどを挙げることができる。

また、第２の断熱部材２２は、熱容量が大きくても良いが、耐熱温度の高いものであると良く、熱膨張の少ないもの、例えば石英を挙げることができる。断熱部材として、石英とカプトンを備え併設し、これらの間に均熱部材２１を配置したのは、次のような理由からである。

すなわち、カプトンは熱容量を小さくすることができるが、耐熱温度は４００℃程度と低い。これに対し、石英は熱容量がカプトンよりも大きくなるが、耐熱温度は高く、発熱源としてのグラファイト２４に密接させた場合であっても、劣化するといった虞が無い。石英は比較的熱膨張の少ない物質であるが、一方の主面に冷却管としての誘導加熱コイル１８を密着させ、他方の主面に発熱源としてのグラファイト２４を密着させた場合、両主面間に極端な温度差を与えることとなり、第２の断熱部材２２としての石英に大きな反りが生じてしまうのである。このため、第２の断熱部材２２としての石英と誘導加熱コイル１８との間に温度緩和部材として、熱容量の小さな第１の断熱部材２０、すなわちカプトンを配置したのである。

そして、第１の断熱部材２０と第２の断熱部材２２との間に均熱部材２１を配置することで、誘導加熱コイル１８の配置形態に基づく冷却時の温度ムラを解消することが可能となり、ウェハ３０の冷却時の均熱化が容易になる。また、第２の断熱部材２２を介して第１の断熱部材２０へ伝達されるグラファイト２４からの熱が均熱部材２１により拡散されることとなる。これにより、第１の断熱部材２０に伝達される熱が局所的に高くなる虞が無くなり、第２の断熱部材２２から第１の断熱部材２０へ伝達される熱を全範囲に亙って第１の断熱部材２０の耐熱温度範囲内に収めることができる。よって、第１の断熱部材２０の部分的劣化等を防止することができる。

また、上記のような配置構成とすることで、石英と誘導加熱コイル１８との間の熱伝達が遅延されることとなり、石英に生ずる反りを緩和することが可能となる。また、本実施形態に係る石英は、図３に示すように、半径方向、および円周方向のそれぞれに複数分割されている。このような構成とすることで、石英に生ずる反りは個片単位に生ずることとなり、石英全体としての大きな反りを抑制することができる。また、予め分割しておくことで、熱膨張の影響により石英が破損することを防ぐことができる。

前記グラファイト２４は、ウェハ３０を加熱する際、および冷却する際の熱媒体としての役割を担う。例えば、ウェハ３０を加熱する際には、誘導加熱コイル１８に供給される電力によって生ずる磁束（渦電流）の作用により被誘導加熱部材として誘導加熱されて発熱する。一方、ウェハ３０を冷却する際には、誘導加熱コイル１８の内部に流し込まれた冷媒の作用により冷却され、加熱状態にあるウェハ３０からの輻射熱を吸収する吸熱部材として働くと共に、熱伝達を行う媒体としても働くこととなる。なお、グラファイト２４と誘導加熱コイル１８の内部に流し込まれる冷媒との間の熱交換は、誘導加熱コイル１８の構成部材（例えば銅）、第１の断熱部材２０の構成部材（例えばカプトン）、均熱部材２１、第２の断熱部材２２の構成部材（例えば石英）といった部材の熱伝達を介して成される。

グラファイト２４の種類としては、他の構成要素の熱膨張等に対応して圧縮されることを可能とする黒鉛シートを採用することが望ましい。このような構成とすることで、グラファイト２４の膨張率を考慮する必要が無くなると共に、グラファイト２４を他の構成要素の熱膨張に対する緩衝部材とすることができる。

また、本実施形態に係るグラファイト２４は、図４に示すように、半径方向に複数分割されている。グラファイト２４をこのような構成とすることによれば、隣接する加熱ゾーンとの間に生ずる熱伝達を抑えることができると共に、グラファイト２４と誘導加熱コイル１８との配置位置のズレによって生ずる加熱ムラを低減することができる。このため、グラファイト２４と誘導加熱コイル１８との間に回転構造を持たなくとも、グラファイト１８の加熱ムラを低減することが可能となる。よって、簡易な構造により、グラファイト２４全体の均等加熱、および加熱ゾーン単位での温度制御することを、より高精度に行うことが可能となる。また、各誘導加熱コイル１８による加熱範囲（加熱ゾーン）も明確化される。

前記隔離板２６は、次のような要素を持っていれば良い。すなわち、発熱源であるグラファイト２４からの輻射熱を伝えるために透光性（赤外線透過性）を有すると共に、熱処理温度以上の耐熱性を有し、線膨張率が低く熱膨張が少ないものであると良い。具体的には、石英によって構成される板部材が望ましい。なお、熱容量を考慮した場合、隔離板２６はできるだけ肉厚を薄くすることが望ましい。しかし、隔離板２６を肉薄化した場合には、熱膨張の影響や、自重の影響による反りが生じ、その結果破損するといった虞が増すこととなる。このため本実施形態では、プロセス室５０内部の気圧をコイル室５２内部の気圧よりも高め、隔離板２６をグラファイト２４に密着させることで、隔離板２６の反りを抑制するようにしている。また、プロセス室５０内部の気圧を高くすることで、コイル室５２内部のコンタミネーションがプロセス室５０に侵入することを防ぐこともできる。また、本実施形態では、コイル室５２内部をヘリウム（Ｈｅ）ガス雰囲気としている。ヘリウムガスは、コイル室５２内部に配置された各構成要素間の接触抵抗を低減させ、各構成要素間における熱伝達の効率を向上させることができる。

そして、本実施形態に係る誘導加熱装置１０では、ウェハ３０を載置する際に、隔離板２６とウェハ３０とを近接させると共に両者の間に気体層２９を介在させるような構成が採られている。

具体的な構成としては、隔離板２６の上面、すなわちウェハ３０と対向する面に、ウェハ３０の外周部を支持するリング状部材を配置したり、ブロック部材を点在させ、これらをサセプタ２８とすれば良い。このような構成とすることで、ウェハ３０が支持されている面積（接触面積）がウェハ３０における処理面中に占める割合に対して非常に小さくなる。このため、ウェハ３０とサセプタ２８との接触点における熱伝導率の違いを殆ど無視することができるようになる。

ここで、気体層２９は一般的に、液体や固体により構成される層に比べて伝熱効率が低い。このため、ウェハ３０の加熱に熱伝達を利用する場合には、発熱源とウェハ３０とを密着させることが一般的である。本発明では、発熱源であるグラファイト２４とウェハ３０との間に隔離板２６である石英と、気体層２９を介在させ、ウェハ３０に接触する気体層２９の占有面積を、ウェハ３０に接触するサセプタ２８が占有する面積よりも大きくなるようにすることで、熱伝導率のバラツキを抑え、ウェハ３０の温度分布の均一化を図るようにしたのである。なお、本実施形態でいう気体層２９とは、真空引きにより希薄になった大気の他、窒素（Ｎ）やヘリウム（Ｈｅ）、アルゴン（Ａｒ）等のプロセスガスを含むこととする。

隔離板２６とウェハ３０との間に介在させる気体層２９の厚みｄの適正値は、当該気体層２９を構成する気体の濃度、物性等にも影響されるが、前記ウェハ３０の加熱時または冷却時に、当該気体層２９を熱媒体として隔離板２６とウェハ３０との間で熱交換を行うことが可能な距離とすれば良い。もっとも、急速昇降温制御を行う上では、この気体層２９の厚みｄの値は可能な限り小さなものとすることが望ましい。気体層２９の厚みｄを小さくすることにより、ウェハ３０と隔離板２６との間の熱交換の即応性を高めることが可能となるからである。このような観点から、本実施形態で使用するウェハ熱処理装置１０では、例えば１５０μｍ程度とすることが望ましい。

上記のような構成のウェハ熱処理装置１０におけるウェハ３０の加熱処理、冷却処理は、気体層２９を熱媒体とした熱伝達と、輻射線の吸収または放射との双方によって成される。このため、加熱効率が悪いとされる赤外線透過性を有するウェハ（例えば加熱温度５００℃以下の半導体ウェハ）３０に対しても、数十℃／Ｓ以上の昇降温速度を与えることができる。また、気体層２９による温度分布の均熱化を図ったことより、ウェハ３０の温度分布が良好となり、温度制御における局所的なオーバーシュートを１０℃以下に制御することができる。

前記サーモグラフィユニット６０は、計測対象物から放射されている赤外線を検出し、検出したエネルギーデータを見かけの温度に変換し（温度データ）、温度分布を示す画像データとして表示するユニットである。このため、計測対象物の表面の温度分布を可視化情報として表示でき、広い範囲の温度分布を相対的に比較することが可能となる。また、計測対象物から放射されている赤外線を検出するため、非接触での温度計測が可能であるとともに、温度変化の激しい物であっても温度計測が可能である。

サーモグラフィの原理は、概ね図５に示すようなものである。まず、計測対称物から放射された赤外線エネルギーは、大気（実施形態の場合はプロセスガスを含む）を通過して集光レンズから取り込まれ、検知器に集光される。そして、集光された赤外線は、検知器を介して電気信号に変換され（電子操作）、増幅器を介して増幅される。増幅された電気信号は、Ａ／Ｄ変換器によりデジタルデータに変換され、ＣＰＵやパーソナルコンピュータといった演算手段を介して演算・補正といった画像処理が成され、図示しないモニタ等の表示手段に温度分布を示す画像として表示される（図６参照）。

ここで、集光レンズには、赤外線を透過し、可視光を透過しないゲルマニウムレンズが用いられる。検知器には、光電効果による変化を検出する量子型のものと、赤外線放射による温度上昇を検出する熱型のものとのいずれかを採用することができる。例えば熱型の検知器としては、マイクロボロメータを挙げることができる。

サーモグラフィユニット６０による温度分布の検出は、検知器における検出素子の画素数に依存し、各画素毎に検出温度を知ることができる。画素数は、図７に示すように、垂直画素と水平画素とによって表されるマトリックス上に存在する画素の数を示すものである。検出された温度、すなわち赤外線エネルギー量の違いは、各画素に定められたデータ深さによって定められる階調毎の色彩で表される。例えばデータ深さが１２ビットの場合、１つの画素に４０９６階調分のデータ量を持つこととなり、１階調毎の温度変化を０．１℃とした場合、４０９．６℃分の変化を示すことができる。

本実施形態に係るサーモグラフィユニット６０は、演算手段６２を外部に備え、温度分布画像を生成すると共に、位相・電力調整器４０に対する信号の生成も行う事を可能としている。

具体的な処理としては、まず、サーモグラフィユニット６０から出力されたデータに基づき、演算手段６２にてウェハ３０の温度分布を検出する。次に、検出された温度分布データに基づいて、誘導加熱コイル１８毎に割り当てられたウェハ３０の加熱ゾーン（間接加熱領域）毎の温度差や、設定温度に対する誤差を算出する。

本実施形態では、間接加熱領域毎の温度差や、設定温度に対する誤差を算出する際、各間接加熱領域の温度を検出する画素として定められた画素の温度データを切り出し、この温度データを有する画素の中から無作為（ランダム）に複数選出し、選出された画素に記録された温度データ（赤外線エネルギー量）から平均温度を求め、これを各間接加熱領域の代表温度として用いるようにする。このようにして各間接加熱領域間の温度差や、設定温度に対する誤差の算出を行えば、演算に要するデータ量を少なくすることができ、高速な温度検出処理、温度分布制御を行うことが可能となるからである。

ここで、平均温度、すなわち間接加熱領域における代表温度は、選出された複数の画素に記録された温度データを比較した際、最も高い温度を示す温度データを有する画素と、最も低い温度を示す温度データを有する画素の温度データを除いた残りの温度データの平均値とすると良い。このようにして平均温度を算出するようにすれば、選出された温度計測データの中に特異点（温度が極端に高いことを示す温度データを有する点や、温度が極端に低いことを示す温度データを有する点）が含まれていた場合であっても、検出対象とされた間接加熱領域の平均温度を精度良く導き出すことができるからである。

また、平均温度に関しては次のようなものであっても良い。すなわち、選出された複数の画素に記録された温度データを比較し、最も近い温度データと比較した際に、誤差範囲として予め定められた閾値以上の差がある画素の温度データを除いた温度データに基づく平均値とするのである。ここで、誤差範囲として定められる閾値は、製造するウェハに求められる熱処理精度に依存するものであるが、平均温度は間接加熱領域単位で導き出されるため、ウェハ全体に求められる許容温度差未満であれば良く、例えば数度未満程度であれば良い。このようにして平均温度を算出するようにすれば、選出された画素の数が少ない場合であっても、平均温度を精度良く導き出すことができる。

次に、検出した温度差や誤差を補うために各誘導加熱コイル１８に供給する電力を上げるべきか、下げるべきか、あるいは必要とされる電力値がどれほどかを算出し、デューティ比を定める信号として位相・電力調整器４０に対して出力する。このような構成とすることで、ウェハ３０の検出温度に基づくフィードバック制御が可能となる。

ここで、上記のようにして検出されたウェハ３０の検出温度に基づいて、誘導加熱コイル１８に供給する電力を上げるべきか、下げるべきか、あるいは必要とされる電力値を算出するといったフィードバック制御を行う場合、誘導加熱コイル１８の内部に流し込まれた冷媒による冷却作用の影響等、環境温度を考慮した制御を行う必要がある。よって、制御方式としては、制御系に比例ゲインＫｐと積分ゲインＫｉ、及び微分ゲインＫｄを含めたＰＩＤ制御を採用し、常温のウェハ３０に対して所望する温度プロファイルを与え、急激な温度の変化等が生じた場合でも、それに対応して温度分布を目標値に近付け、あるいは到達させるようにすることが望ましい。

具体的には、まず、ウェハ３０を加熱する目標値までの温度の指令値を時系列で与える。そして、ある時点における指令値とウェハ３０の温度との偏差を埋めるための入力値である隔離板２６（実質的にウェハ３０との間で熱交換を行う物質）の設定温度を比例ゲインＫｐに基づいて算出する。

この時、環境温度に対して冷媒等による冷却作用が生じた場合、すなわち環境温度が変化した場合には、比例ゲインＫｐによって算出された設定温度では指令値に到達することができないことがある。つまり、設定温度で加熱されたウェハ３０の温度が指令値として与えられた温度から乖離してしまうのである。こうした乖離によって生ずる偏差（残留偏差）が、積分ゲインＫｉを用いて算出される設定温度の補正値により補われることで、指令値とウェハ３０の温度が一致することとなる。

しかし、積分時間に基づくいわゆるＩ動作は、温度に変動が生じた後、所定の時間が経過しなければ働かないため、温度が指令値から外れた場合に、当該温度を指令値に戻すまでに時間がかかってしまう。そこで、急激な温度の変化が生じた場合に、指令値との間の偏差の変化速度に比例した入力値を微分ゲインＫｄによって算出し、これを補正値として与えることで、急激な変化に対応し、指令値とウェハ３０の温度を一致させる。

このようなウェハ３０の温度検出、隔離板２６の設定温度の算出、および隔離板２６を設定温度に昇温させるための電力制御を繰返しフィードバックして行うことで、上記ウェハ熱処理装置１０における加熱制御が成される。

このようにして温度計測、温度制御を行うようにすることで、所定の間接加熱領域におけるトータルでの温度ムラが少なくなる。このような温度計測、温度制御に対し、例えばある間接加熱領域において１点のみで温度計測を行った場合、その点の温度のみが著しく低かった（あるいは高かった）とすると、それを代表温度として温度制御することとなるため、当該間接加熱領域は過度に加熱（あるいは冷却）されることとなるため、間接加熱領域全体の温度は高め（あるいは低め）になってしまう。

なお、上記ウェハ熱処理装置１０を用いてウェハ３０の冷却を行う場合には、冷媒による冷却作用を利用して急速冷却を行うこととなるが、過冷却が生じた場合には、誘導加熱により冷却率を調整するようにすることができる。このような降温工程においても、上記のようなフィードバック制御を実行することで、ウェハ３０に対して、所望する温度勾配を与えることが可能となる。

また、実際の昇降温工程では、誘導加熱コイル１８の形状や大きさ、および放射熱の影響等を受けて、グラファイト２４に局所的な高温部や低温部が生じ、これによって隔離板２６にも同様な温度勾配が生ずることがある。このため、上記構成の誘導加熱装置１０では、各誘導加熱コイル１８に対する電力の投入量を微調整し、グラファイト２４の主面における温度分布の均熱化を図り、隔離板２６全体の昇降温制御を行うこととなる。

また、ウェハ３０に温度ムラなどが生じた場合、ウェハ３０に撓みが生じ、ウェハ３０が発熱部材であるグラファイト２４（図１に示す装置においてはグラファイト２４に接触している伝熱部材である隔離板２６）に接触する場合がある。こうした場合、グラファイト２４や隔離板２６に接触した部分に局所的な高温部が現れることとなる。演算手段６２は、このような局所的な高温を示す温度データを有する画素群を検出した場合、ウェハ３０とグラファイト２４等が接触したと判定し、これを接触データとしてウェハ３０の熱処理履歴に記録する。このような記録を残すことで、ウェハ３０を後工程に回した際、履歴に応じて使用の可否を判断することができるようになるからである。なお、局所的な高温部の判定に関しては、間接加熱領域の平均温度から、許容値として予め定めた閾値以上高くなった箇所のことを言うものとする。また、許容値として予め定めた閾値とは、ウェハ３０の熱処理に所望される温度差とすれば良い。

また、ウェハ３０に上記のような局所的な高温部が生じた場合、当該高温部を含む間接加熱領域を加熱するグラファイト２４の加熱領域の温度を低下させるように、誘導加熱コイル１８への投入電力を低下させる。このような制御を行うことによれば、熱処理対象とするウェハ３０の温度分布を高い精度で制御することが可能となる。

発明に係る温度計測方法、並びに温度制御方法を実施するためのウェハ熱処理装置の構成を示す図である。 電力制御ユニットに設けた接地端子の位置を示す等価回路図である。 第２の断熱部材の構成を示す平面図である。 グラファイトの構成を示す平面図である。 サーモグラフィの原理を説明するためのブロック図である。 サーモグラフィユニットにより検出された温度分布画像の例を示す図である。 サーモグラフィユニットにおける検知器の検出素子の画素構成を説明する図である。

符号の説明

１０………ウェハ熱処理装置、１２………ケーシング、１３………熱処理炉、１４………加熱・冷却ユニット、１６………ステージ、１８（１８ａ〜１８ｆ）………誘導加熱コイル、２０………第１の断熱部材、２１………均熱部材、２２………第２の断熱部材、２４………グラファイト、２６………隔離板、２８………サセプタ、２９………気体層、３０………ウェハ、３２………電力制御ユニット、３４（３４ａ〜３４ｆ）………共振型インバータ、３６………順変換部、３８………電源部、４０………位相制御器、４２（４２ａ，４２ｂ）………接地端子、４４（４４ａ〜４４ｆ）………共振コンデンサ、５０………プロセス室、５２………コイル室、６０………サーモグラフィユニット、６２………演算手段。

Claims (5)

1. 個別に投入電力の制御を可能とする誘導加熱コイルと、当該誘導加熱コイルによって加熱領域が定められた被誘導加熱部材とを有するウェハ熱処理装置により加熱されるウェハの温度を計測する方法であって、
   前記ウェハにおける表面の温度分布をサーモグラフィユニットで計測し、
   計測された温度データに基づいて前記ウェハにおける間接加熱領域単位の平均温度を算出することを特徴とするウェハ熱処理装置における温度計測方法。
2. 前記平均温度は、前記各間接加熱領域の温度を計測するものとして定められた、前記サーモグラフィユニットの画素の中から無作為に選出した複数点の画素に記録された温度データを比較し、比較した温度データの中において最も高い温度と最も低い温度を示すデータを有する画素の温度データを除いた温度データに基づく平均値であることを特徴とする請求項１に記載のウェハ熱処理装置における温度計測方法。
3. 前記平均温度は、前記各間接加熱領域の温度を計測するものとして定められた、前記サーモグラフィユニットの画素の中から無作為に選出した複数点の画素に記録された温度データを比較し、最も近い温度データと比較した際に、誤差範囲として予め定められた閾値以上の差がある画素の温度データを除いた温度データに基づく平均値であることを特徴とする請求項１に記載のウェハ熱処理装置における温度計測方法。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１に記載のウェハ熱処理装置における温度計測方法により導きだされた前記平均温度に基づいて、
   間接加熱領域毎の前記平均温度の差が小さくなるように、前記被誘導加熱部材における前記各加熱領域を加熱する前記誘導加熱コイルへの投入電力調整することを特徴とするウェハ熱処理装置における温度制御方法。
5. 請求項１乃至請求項３のいずれか１に記載のウェハ熱処理装置における温度計測方法により導きだされた前記平均温度に比べ、許容値として予め定められた閾値以上高い温度データを有するサーモグラフィユニットの画素が複数集合する画素群を検出した場合、発熱部材や熱伝達部材とウェハとが接触したことを示す接触データとして記録すると共に、
   前記画素群の検出対象とされた前記間接加熱領域を加熱する加熱領域の温度を低下させるように、該当する加熱領域を誘導加熱する誘導加熱コイルへの投入電力を低下させることを特徴とするウェハ熱処理装置における温度制御方法。

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