JP2012209517A - 熱処理制御システムおよび熱処理制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ウエハのロード時において、ウエハ温度を確実に推定してウエハに対して迅速な熱処理を施す。
【解決手段】熱処理制御システム１は、ボート１２に保持されたウエハＷを処理する処理容器３と、処理容器を密封する蓋体１０と、処理容器３を加熱するヒータ１８Ａと、ヒータ１８Ａを制御する制御装置５１とを備えている。蓋体１０上にプロファイル温度センサ保持具８３Ａが設けられ、このプロファイル温度センサ保持具８３Ａにプロファイル温度センサ８３が設けられている。プロファイル温度センサ８３は温度推定部５１Ａに接続され、温度推定部５１Ａは、プロファイル温度センサ８３の検出信号に基づき、このプロファイル温度センサ８３の検出信号に一次遅れフィルタをかけてウエハＷの温度を推定する。制御装置５１は温度推定部５１Ａで求めたウエハＷの温度に基づいてヒータ１８Ａを制御する。
【選択図】図１
【解決手段】熱処理制御システム１は、ボート１２に保持されたウエハＷを処理する処理容器３と、処理容器を密封する蓋体１０と、処理容器３を加熱するヒータ１８Ａと、ヒータ１８Ａを制御する制御装置５１とを備えている。蓋体１０上にプロファイル温度センサ保持具８３Ａが設けられ、このプロファイル温度センサ保持具８３Ａにプロファイル温度センサ８３が設けられている。プロファイル温度センサ８３は温度推定部５１Ａに接続され、温度推定部５１Ａは、プロファイル温度センサ８３の検出信号に基づき、このプロファイル温度センサ８３の検出信号に一次遅れフィルタをかけてウエハＷの温度を推定する。制御装置５１は温度推定部５１Ａで求めたウエハＷの温度に基づいてヒータ１８Ａを制御する。
【選択図】図１
Description
本発明は、熱処理制御システムおよび熱処理制御方法に関する。
半導体ディバイスの製造においては、被処理体例えば半導体ウエハに、酸化、拡散、ＣＶＤ、アニール等の熱処理を施すために各種の熱処理装置が用いられている。その一つとして、一度に多数枚の熱処理が可能な縦型熱処理装置が知られている。この縦型熱処理装置は、下部に開口部を有する石英製の処理容器と、該処理容器の開口部を開閉する蓋体と、該蓋体上に設けられ、複数枚の被処理体を上下方向に所定の間隔で保持する保持具と、前記処理容器の周囲に設けられ、処理容器内に搬入された前記被処理体を加熱するヒータが取付けられた炉本体とを備えている。
このような熱処理装置において、処理内容内に設置された温度センサからの信号に基づいて制御装置により予め定められた設定温度となるよう、ヒータにより被処理体が加熱される。しかしながら被処理体のロード時には被処理体の温度は室温から徐々に上昇するため、被処理体を予め定められた設定温度まで加熱するためには長時間かかり、とりわけロード時において被処理体を迅速かつ精度良く熱処理することが求められている。
本発明はこのような点を考慮してなされたものであり、被処理体のロード時において、被処理体を迅速かつ精度良く熱処理することができる熱処理装置および熱処理方法を提供することを目的とする。
本実施の形態は、炉本体と、炉本体内面に設けられた加熱部と、炉本体内に配置され、下端が開口した処理容器と、上下方向に移動自在に設けられ、処理容器の下端開口を密封する蓋体と、蓋体上に設けられ内部に複数の被処理体を収納するとともに、被処理体を処理容器内に挿入する保持具と、被処理体とともに処理容器内に挿入され、処理容器内の温度を検出する処理容器内温度センサと、処理容器内温度センサからの信号に基づき、この処理容器内温度センサからの検出信号に一次遅れフィルタをかけて被処理体の温度を推定する温度推定部と、温度推定部で推定された被処理体の温度に基づいて加熱部を制御する制御装置とを備えたことを特徴とする。
上記熱処理制御システムにおいて、処理容器内温度センサは蓋体上に設けられていることを特徴とする。
上記熱処理制御システムにおいて、処理容器内温度センサは、保持具に取付けられていることを特徴とする。
上記熱処理制御システムにおいて、温度推定部は被処理体を処理容器内に挿入するロード時に被処理体の温度を推定することを特徴とする。
本実施の形態は、熱処理制御システムを用いた熱処理制御方法において、被処理体を収納して保持する保持具により、被処理体を処理容器内へ挿入するロード工程と、温度推定部において、処理容器内温度センサからの検出信号に基づき、この処理容器内温度センサからの信号に一次遅れフィルタをかけて被処理体の温度を推定する工程と、温度推定部により推定された温度に基づいて、制御装置により加熱部を制御する工程と、を備えたことを特徴とする熱処理制御方法である。
以上のように本発明によれば、熱処理体のロード時において、処理容器内温度センサからの検出温度に基づいて、温度推定部により被処理体の温度Ｔを確実に推定することができる。温度推定部により推定された被処理体の温度を用いて、制御装置により加熱部を制御することにより、迅速かつ精度良く被処理体に対して熱処理を施すことができる。
以下に、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ここで図１は本発明による熱処理制御システムを概略的に示す縦断面図、図２は図１と同様の図であって、被処理体のロード時における熱処理制御システムを示す図、図３は熱処理制御システムの温度推定部における作用を示す図、図４（ａ）（ｂ）は熱処理制御システムの温度推定部における作用を比較例として比較して示す図である。
図１において、縦型の熱処理制御システム１は、被処理体、例えば半導体ウエハＷを一度に多数枚収容して酸化、拡散、減圧ＣＶＤ等の熱処理を施すことができる縦型の熱処理炉２を備えている。この熱処理炉２は、内周面に発熱抵抗体（ヒータ）１８Ａが設けられた炉本体５と、炉本体５内に配置され、炉本体５との間に空間３３を形成するとともに、ウエハＷを収容して熱処理するための処理容器３とを備えている。ここで、ヒータ１８ＡはウエハＷを加熱する加熱部として機能する。
また炉本体５と処理容器３との間の空間３３は、縦方向に沿って複数の単位領域、例えば１０の単位領域Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５、Ａ６、Ａ７、Ａ８、Ａ９、Ａ１０に区画されている。そしてヒータ１８Ａは、この１０の単位領域Ａ１、…Ａ１０に対応して各々の単位領域Ａ１、…Ａ１０に設けられており、さらに各単位領域Ａ１、…Ａ１０毎に、当該単位領域Ａ１、…Ａ１０の温度を測定する後述のようにアウタ温度センサ５０が設けられている。
なお、図１において、すべての単位領域Ａ１、…Ａ１０毎にヒータ１８Ａとアウタ温度センサ５０が設けられている。また各ヒータ１８Ａは、後述のように複数のヒータエレメント１８からなっている。
また炉本体５はベースプレート６により支持され、このベースプレート６には処理容器３を下方から上方に挿入するための開口部７が形成されている。またベースプレート６の開口部７にはベースプレート６と処理容器３との間の隙間を覆うように図示しない断熱材が設けられている。
処理容器３は、上端が開口した石英製の内筒３Ａと、内筒３Ａを覆うとともに上端が閉じた外筒３Ｂとからなる。また処理容器３には、下側部に処理ガスや不活性ガス等を処理容器３内に導入する導入ポート（導入口）８Ａ及び処理容器３内のガスを排気するための排気ポート８Ａが設けられている。導入ポート８Ａにはガス供給源（図示せず）が接続され、排気ポート８Ａには例えば１３３×６００Ｐａ〜１３３×１０−２Ｐａ程度に減圧制御が可能な真空ポンプを備えた排気系（図示せず）が接続されている。また導入ポート８には、処理容器３内に延びるとともに噴出口８ａを有する導入管８Ｂが接続されている。
処理容器３の下方には、処理容器３の炉口３ａを閉塞する蓋体１０が昇降機構１３Ａにより昇降移動可能に設けられている。この蓋体１０の上部には、炉口の保温手段である保温筒１１が載置され、該保温筒１１の上部には、直径が３００ｍｍのウエハＷを多数枚、例えば１００〜１５０枚程度上下方向に所定の間隔で搭載する保持具である石英製のボート１２が載置されている。蓋体１０には、ボート１２をその軸心回りに回転する回転機構１３が設けられている。ボート１２は、蓋体１０の下降移動により処理容器３内から下方のローディングエリア１５内に搬出（アンロード）され、ウエハＷの移替え後、蓋体１０の上昇移動により処理容器３内に搬入（ロード）される。
上記炉本体５は、円筒状の断熱材１６と、該断熱材１６の内周面に軸方向（図示例では上下方向）に多段に形成された溝状の棚部１７とを有し、各棚部１７に沿って各単位領域Ａ１、…Ａ１０毎に設けられたヒータ１８Ａを構成するヒータエレメント（ヒータ線、発熱抵抗体）１８が配置されている。断熱材１６は、例えばシリカ、アルミナあるいは珪酸アルミナを含む無機質繊維からなっている。断熱材１６は、縦に二分割されており、このためヒータエレメントの組付及びヒータの組立を容易に行うことができる。
上記断熱材１６には上記ヒータエレメント１８を適宜間隔で径方向に移動可能に保持するピン部材（図示せず）が配設されている。上記円筒状の断熱材１６の内周面にはこれと同心の環状の溝部２１が軸方向に所定ピッチで多段に形成され、隣り合う上部の溝部２１と下部の溝部２１との間に周方向に連続した環状の上記棚部１７が形成されている。またこれらは強制冷却時の冷却媒体がヒータエレメント１８の背面に回り込み、ヒータエレメント１８を効果的に冷却できるようになっている。なお、このような冷却媒体としては、空気、窒素ガスが考えられる。
各単位領域Ａ１、…Ａ１０毎に設けられたヒータ１８Ａにおいて、端部側に位置するヒータエレメント１８は断熱材１６を径方向に貫通するように設けられた端子板２２ａ，２２ｂを介して外部のヒータ出力部１８Ｂに接続されている。
炉本体５の断熱材１６の形状を保持すると共に断熱材１６を補強するために、図１に示すように、断熱材１６の外周面は金属製例えばステンレス製の外皮（アウターシェル）２８で覆われている。また、炉本体５の外部への熱影響を抑制するために、外皮２８の外周面は水冷ジャケット３０で覆われていてもよい。断熱材１６の頂部にはこれを覆う上部断熱材３１が設けられ、この上部断熱材３１の上部には外皮２８の頂部（上端部）を覆うステンレス製の天板３２が設けられている。
また図１および図２に示すように、熱処理後にウエハを急速降温させて処理の迅速化ないしスループットの向上を図るために、空間３３内の雰囲気を外部に排出する排熱系３５と、上記空間３３内に常温（２０〜３０℃）の冷却媒体を導入して強制的に冷却する強制冷却媒体手段３６とが設けられている。上記排熱系３５は、例えば炉本体５の上部に設けられた排気口３７からなり、該排気口３７には、空間３３内の冷却媒体を排気する冷却媒体排気ライン６２が接続されている。
さらに強制冷却媒体手段３６は、上記炉本体５の断熱材１６と外皮２８の間に高さ方向に複数形成された環状流路３８と、各環状流路３８から断熱材１６内を貫通して冷却媒体を吹き出す冷却媒体吹出し孔４０とを有している。上記環状流路３８は、断熱材１６の外周面に帯状又は環状の断熱材４１を貼り付けるか、或いは断熱材１６の外周面を環状に削ることにより形成されている。
上記外皮２８の外周面には、各環状流路３８に冷却媒体を分配供給するための共通の１本の供給ダクト４９が高さ方向に沿って設けられ、外皮２８には供給ダクト４９内と各環状流路３８とを連通する連通口が形成されている。供給ダクト４９には冷却媒体を供給する冷却媒体供給ライン５２が接続されている。
また、上述のように炉本体５と処理容器３との間に形成された空間３３には、単位領域Ａ１、…Ａ１０毎の温度を検知するアウタ温度センサ５０が各々設置され、この温度センサ５０からの検知信号は信号ライン５０ａを介して制御装置５１へ送られる。この制御装置５１は後述のようにヒータ出力部１８Ｂを制御して、各単位領域Ａ１、…Ａ１０毎に設置されたヒータ１８Ａを駆動する。
さらに排気口３７内にも温度センサ（排気温度センサ）８０が設置され、この温度センサ８０からの検知信号は信号ライン８０ａを介して制御装置５１に送られる。
また図１および図２に示すように、内筒３Ａ内面に、複数のインサイド温度センサ（ｉｎｓｉｄｅ Ｔ／Ｃ）８１が縦方向に沿って設けられており、各インサイド温度センサ８１は内筒３Ａ内において縦方向に延びるインサイド温度センサ保持具８１Ａにより保持されている。また外筒３Ｂ内面に、複数のインナ温度センサ（ｉｎｎｅｒ Ｔ／Ｃ）８２が縦方向に沿って設けられており、各インナ温度センサ８２は外筒３Ｂ内において縦方向に延びるインナ温度センサ保持具８２Ａにより保持されている。さらに蓋体１０に縦方向に延びるプロファイル温度センサ保持具８３Ａが設けられ、このプロファイル温度センサ保持具８３Ａに沿って複数のプロファイル温度センサ（ｐｒｏｆｉｌｅ Ｔ／Ｃ）８３が取付けられている。
またインサイド温度センサ８１とインナ温度センサ８２は、処理容器３内の温度を検出するものであり、単位領域Ａ２、…Ａ１０毎に設置されている。なお、処理容器３が一重管からなる場合、インナ温度センサ８２のみを設けてもよい。
さらに、プロファイル温度センサ８３は蓋体１０に設置されたプロファイル温度センサ保持具８３Ａに取付けられて、蓋体１０およびボート１２とともに処理容器３内に挿入され、処理容器３内の温度を検出する処理容器内温度センサとして機能する。各プロファイル温度センサ８３は、ボート１２を処理容器３内に挿入した際、単位領域Ａ３、…Ａ１０に対応して設置される。
これら温度センサ５０、８０、８１、８２、８３のうち、排気温度センサ８０、アウタ温度センサ５０、インサイド温度センサ８１およびインナ温度センサ８２は制御装置５１に接続されている。またプロファイル温度センサ８３は、温度推定部５１Ａに接続され、この温度推定部５１ＡにおいてウエハＷのロード時の温度が推定される。温度推定部５１Ａによって推定されたロード時のウエハＷの温度は制御装置５１に送られる。そしてこの制御装置５１によって温度推定部５１Ａによって推定されたロード時のウエハＷの温度および温度センサ５０、８０、８１、８２に検出された検出温度に基づいて、ヒータ出力部１８Ｂが制御され、ヒータ出力部１８Ｂにより各ヒータ１８Ａが駆動される。
次にこのような構成からなる熱処理装置の作用について説明する。
まず、ボート１２内にウエハＷが搭載され、ウエハＷが搭載されたボート１２が蓋体１０の保温筒１１上に載置される。その後蓋体１０が昇降機構１３Ａにより上昇して、ボート１２が処理容器３内へ搬入され、ウエハＷが処理容器３内へ挿入されてロードされる。
この間、ロード時において温度推定部５１ＡにおいてウエハＷの温度が求められる。制御装置５１は温度推定部５１Ａによって求めたウエハの温度に基づいてヒータ出力部１８Ｂを制御して各単位領域Ａ１、…Ａ１０内のヒータ１８Ａを駆動制御し、炉本体５と処理容器３との間の空間３３を加熱し、処理容器３内のボート１２に搭載されたウエハＷに対して必要な熱処理を施す。
またロード終了し温度安定後、制御装置５１は、温度推定部５１Ａによって求めたウエハの温度、および必要に応じて温度センサ５０、８０、８１、８２からの検出温度に基づいてヒータ出力部１８Ｂを制御して各単位領域Ａ１、…Ａ１０内のヒータ１８Ａを駆動制御する。
またロード終了し温度安定後、制御装置５１は、温度推定部５１Ａによって求めたウエハの温度、および必要に応じて温度センサ５０、８０、８１、８２からの検出温度に基づいてヒータ出力部１８Ｂを制御して各単位領域Ａ１、…Ａ１０内のヒータ１８Ａを駆動制御する。
次にウエハＷのロード時における温度推定部５１Ａの作用について図３および図４により説明する。
ここで図３は温度推定部５１Ａにおける作用を示す図であって、横軸にウエハＷのロード時における時間が示され、縦軸に温度が示されている。
図３に示すように、ロード開始から一定時間経過後にウエハＷの温度が安定する。
ウエハＷのロード開始から温度安定までのロード時において、温度推定部５１Ａに、プロフィル温度センサ８３からの検出温度が入力される。
温度推定部５１Ａでは、プロファイル温度センサ８３からの検出温度に基づいてウエハＷの温度が推定される。
具体的には、温度推定部５１Ａはプロファイル温度センサ８３からの検出温度（検出信号）に対して一次遅れフィルタをかける。
この場合、一次遅れフィルタとして、予めウエハ温度の時定数に基づいて設計された適切なフィルタを設定しておく。そしてこのように設計された適切な一次遅れフィルタを用いることにより、プロファイル温度センサ８３からの検出信号に一次遅れフィルタをかけた信号を実際のウエハ温度に略一致させることができる。
次に図４（ａ）（ｂ）により本発明の作用効果について述べる。
ここで図４（ａ）は本発明による熱処理制御システムにおける温度推定部の作用を示す図であり、図４（ｂ）は比較例の作用を示す図である。
ここで図４（ａ）は本発明による熱処理制御システムにおける温度推定部の作用を示す図であり、図４（ｂ）は比較例の作用を示す図である。
図４（ａ）に示すように、本発明によれば、温度推定部５１Ａにおいて、ロード時において、蓋体１０に取付けられウエハＷとともに処理容器３内に挿入されるプロファイル温度センサ８３からの検出信号に対して一次遅れフィルタをかけてウエハＷの温度を推定する。このことにより、一次遅れフィルタをかけた温度を実際のウエハはＷの温度に近づけて、ウエハの温度を正確に求めることができる。そしてロード時において、温度推定部５１Ａにおいて求めたウエハＷの温度に基づいて制御装置５１によりヒータ出力部１８Ｂを制御して、各ヒータ１８Ａを駆動する。このことにより、ロード時においてウエハＷの温度を短時間で安定化させることができる。
図４（ａ）において、インナ温度センサ８２の検出温度は、ロード時において実際のウエハの温度よりかなり高くなっている。
他方、図４（ｂ）に示す比較例において、ロード時において制御装置はインナ温度センサの検出信号に基づいてヒータを駆動制御している。図４（ｂ）に示すように、制御装置がインナ温度センサの検出信号に基づいてヒータを制御した場合、インナ温度センサの検出温度は実際のウエハ温度を乖離しているため、ウエハＷの温度を安定化させるためには長時間を要している。
このように比較例において、ウエハＷの温度を安定化させるために長時間を要する理由として、以下の理由が考えられる。すなわちロード開始時においてウエハＷの温度は室温であり、これに対してインナ温度センサの検出温度はプロセス温度に近く、両者の差が大きくなり、このため制御装置はインナ温度センサの検出温度に基づいてヒータを制御した場合、ヒータパワーを大きく出せずにウエハＷを加熱する力が弱いという問題がある。
またＳｉからなるウエハは４００℃以下の低温域では赤外線を透過するため放射率が低く加熱しにくい、という問題がある。例えば２００℃のプロセスにおいて、ヒータの１．５〜５．０μｍ波長領域において、Ｓｉの放射率は０．１前後であるため、ウエハの温度は上昇しにくい。
これに対して本願発明によれば、ロード時において温度推定部５１ＡによりウエハＷの温度を精度良く求めることができる。そして制御装置５１は温度推定部５１Ａにより求めたウエハＷの温度に基づいてヒータ出力部１８Ｂを制御してヒータ１８Ａを駆動するので、ウエハＷの温度を短時間で安定化することができる。
以上のように本実施の形態によれば、温度推定部５１Ａにおいて、プロファイル温度センサ８３の検出信号に一次遅れフィルタをかけることにより、ロード時におけるウエハＷの温度を精度良く推定することができる。そして温度推定部５１Ａにおいて推定されたウエハの温度に基づいて制御装置５１によりヒータ出力部１８Ｂを制御してヒータ１８Ａを駆動する。
この場合、温度推定部５１Ａによりロード時におけるウエハＷの温度を精度良く推定することができるので、例えばインナ温度センサ８２からの検出温度をウエハＷの温度と推定して制御装置５１によりヒータ１８Ａを制御する場合に比べて、ウエハＷの温度を正して推定してロード時において、ウエハＷを迅速かつ精度良く熱処理することができる。
なお、上記実施の形態において、ウエハＷとともに処理容器３内に挿入される処理容器内温度センサとしてプロファイル温度センサ８３を用いるとともに、このプロファイル温度センサ８３を蓋体１０上に設置されたプロファイル温度センサ保持具８３Ａに取付けた例を示したが、これに限らずプロファイル温度センサ８３を蓋体１０上に設ける代わりに、プロファイル温度センサ８３をボート１２に設けてもよい。
ｗ 半導体ウエハ（被処理体）
１ 熱処理制御システム
２ 熱処理炉
３ 処理容器
３Ａ 内筒
３Ｂ 外筒
３ａ 炉口
５ 炉本体
１６ 断熱材
１８ ヒータエレメント（発熱抵抗体）
１８Ａ ヒータ
１８Ｂ ヒータ出力部
３３ 空間
４０ 冷却媒体吹出し孔
４９ 供給ダクト
５０ アウタ温度センサ
５１ 制御装置
５１Ａ 温度推定部
８０ 排気温度センサ
８１ インサイド温度センサ
８２ インナ温度センサ
８３ プロファイル温度センサ
１ 熱処理制御システム
２ 熱処理炉
３ 処理容器
３Ａ 内筒
３Ｂ 外筒
３ａ 炉口
５ 炉本体
１６ 断熱材
１８ ヒータエレメント（発熱抵抗体）
１８Ａ ヒータ
１８Ｂ ヒータ出力部
３３ 空間
４０ 冷却媒体吹出し孔
４９ 供給ダクト
５０ アウタ温度センサ
５１ 制御装置
５１Ａ 温度推定部
８０ 排気温度センサ
８１ インサイド温度センサ
８２ インナ温度センサ
８３ プロファイル温度センサ
Claims (5)
- 炉本体と、
炉本体内面に設けられた加熱部と、
炉本体内に配置され、下端が開口した処理容器と、
上下方向に移動自在に設けられ、処理容器の下端開口を密封する蓋体と、
蓋体上に設けられ内部に複数の被処理体を収納するとともに、被処理体を処理容器内に挿入する保持具と、
被処理体とともに処理容器内に挿入され、処理容器内の温度を検出する処理容器内温度センサと、
処理容器内温度センサからの検出信号に基づき、この処理容器内温度センサからの検出信号に一次遅れフィルタをかけて被処理体の温度を推定する温度推定部と、
温度推定部で推定された被処理体の温度に基づいて加熱部を制御する制御装置と
を備えたことを特徴とする熱処理制御システム。 - 処理容器内温度センサは蓋体上に設けられていることを特徴とする請求項１記載の熱処理制御システム。
- 処理容器内温度センサは、保持具に取付けられていることを特徴とする請求項１記載の熱処理制御システム。
- 温度推定部は被処理体を処理容器内に挿入するロード時に被処理体の温度を推定することを特徴とする請求項１記載の熱処理制御システム。
- 請求項１記載の熱処理制御システムを用いた熱処理制御方法において、
被処理体を収納して保持する保持具により、被処理体を処理容器内へ挿入するロード工程と、
温度推定部において、処理容器内温度センサからの検出信号に基づき、この処理容器内温度センサからの信号に一次フィルタをかけて被処理体の温度を推定する工程と、
温度推定部により推定された温度に基づいて、制御装置により加熱部を制御する工程と、を備えたことを特徴とする熱処理制御方法。
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