JP2013149916A

JP2013149916A - 熱処理装置及び熱処理装置の制御方法

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Publication number: JP2013149916A
Application number: JP2012011203A
Authority: JP
Inventors: Goro Takahashi; 五郎高橋; Takanori Saito; 孝規齋藤; Bunryo O; 文凌王; Koji Yoshii; 弘治吉井; Tatsuya Yamaguchi; 達也山口
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2012-01-23
Filing date: 2012-01-23
Publication date: 2013-08-01
Anticipated expiration: 2032-01-23
Also published as: TW201346982A; US9909809B2; JP5973173B2; KR101617217B1; US20130186878A1; KR20130086162A; TWI550681B

Abstract

【課題】外乱で熱処理装置２内部の温度が変わった時に、熱処理装置２内部の温度を速やかにリカバリできる熱処理装置２を提供すること。
【解決手段】被処理体Ｗを収納する処理室４と、被処理体Ｗを加熱する加熱部５２と、前記処理室４内の温度を検出する温度検出部６０と、前記温度検出部６０によって検出された温度が、外乱で、予め設定された第１の設定温度より低くなった時に、前記温度検出部６０によって検出された温度と等しい第２の設定温度を設定し、かつ、前記第２の設定温度と前記第１の設定温度との間の第３の設定温度と、前記温度検出部６０が検出した温度と、が等しくなるように前記加熱部５２を制御し、かつ前記第３の設定温度と前記温度検出部６０が検出した温度とが等しくなった後に、前記第１の設定温度と、前記温度検出部６０が検出した温度と、が等しくなるように前記加熱部５２を制御する、制御部７０と、を備える熱処理装置に依る。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱処理装置及び熱処理装置の制御方法に関する。

一般に、半導体ウエハに対して成膜処理、酸化処理、拡散処理といった熱処理を施す装置の例として、縦型熱処理装置や横型熱処理装置が知られている。この中でも、大気の巻き込みが少ないなどの理由から、縦型熱処理装置が主流に使用されている（例えば、特許文献１）。

これらの熱処理装置では、通常、設定温度やランピングレートが変更になった場合、ランピングの開始温度は前回のターゲット温度から開始される。

特開２００２−３３４８４４号公報

従来の熱処理装置では、例えば、ウエハボートの搬入時などの外乱によってアクチャル温度が一時的に下がった場合に、ターゲット温度とアクチャル温度との間に大きな温度差が発生し、熱処理装置の出力が大きくなる。その結果、アクチャル温度がオーバーシュートし、これに対応して、熱処理装置の内部温度及び半導体ウエハの温度が目標温度にリカバリするのに要する時間が長くなるという問題点があった。

そこで、本発明においては、外乱によって熱処理装置内部の温度が変わった場合に、熱処理装置内部の温度を速やかにリカバリさせることができる熱処理装置を提供することを目的とする。

被処理体を収納する処理室と、
前記処理室に収納された被処理体を加熱する加熱部と、
前記処理室内の温度を検出する温度検出部と、
前記温度検出部によって検出された温度が、外乱によって、予め設定された第１の設定温度より低くなった場合に、前記温度検出部によって検出された温度と等しい第２の設定温度を設定し、かつ、
前記第２の設定温度と前記第１の設定温度との間にある第３の設定温度と、前記温度検出部が検出した温度と、が等しくなるように前記加熱部を制御し、かつ
前記第３の設定温度と前記温度検出部が検出した温度とが等しくなった後に、前記第１の設定温度と、前記温度検出部が検出した温度と、が等しくなるように前記加熱部を制御する、制御部と、
を備える熱処理装置。

本発明によれば、外乱によって熱処理装置内部の温度が変わった場合に、熱処理装置内部の温度を速やかにリカバリさせることができる熱処理装置を提供できる。

図１は、本発明に係る熱処理装置の構成例を示す概略図である。図２は、本発明に係る熱処理装置の制御方法の例を説明するための概略図である。図３は、本発明に係る熱処理装置の制御方法の例のフロー図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

［熱処理装置］
まず、本発明に係る熱処理装置の構成例について説明する。図１は、本発明の熱処理装置の構成例を示す概略図である。しかしながら、本発明の熱処理装置は、基板を処理する処理室と、前記処理室に収納された被処理体を加熱する加熱部と、前記処理室内の温度を検出する温度検出部と、前記加熱部を制御する制御部と、を有し、後述する熱処理方法を実行することができれば、図１の構成に限定されない。また、図１では、被処理体として半導体ウエハＷ（以後、ウエハＷと称する）を処理する熱処理装置について説明するが、本発明はこの点において限定されない。

図１に示すように、熱処理装置２は、長手方向が垂直に配設された円筒状の処理容器４を有する。処理容器４は主に、外筒６と、この内側に同心的に配置された内筒８（特許請求の範囲における、処理室に対応）と、から構成され、２重管構造になっている。外筒６及び内筒８は、耐熱性材料、例えば石英から形成される。外筒６及び内筒８は、ステンレスなどからなるマニホールド１０によって、その下端部が保持される。また、マニホールド１０は、ベースプレート１２に固定される。

マニホールド１０の下端部の開口部には、例えばステンレススチール等からなる円盤状のキャップ部１４が、Ｏリング等のシール部材１６を介して気密封止可能に取り付けられている。また、キャップ部１４の略中心部には、例えば磁性流体シール１８により気密状態で回転可能な回転軸２０が挿通されている。この回転軸２０の下端は、回転機構２２に接続されており、その上端は例えばステンレススチールよりなるテーブル２４が固定されている。

テーブル２４上には、例えば石英製の保温筒２６が設置されている。また、保温筒２６上には、支持具として例えば石英製のウエハボート２８が戴置される。ウエハボート２８には、例えば５０〜１５０枚の被処理体としての半導体ウエハＷが、所定の間隔、例えば１０ｍｍ程度間隔のピッチで収容される。ウエハボート２８、保温筒２６、テーブル２４及びキャップ部１４は、例えばボートエレベータである昇降機構３０により、処理容器４内に一体となってロード、アンロードされる。

マニホールド１０の下部には、処理容器４内へ必要なガスを導入するための、ガス導入手段３２が設けられる。ガス導入手段３２は、マニホールド１０を気密に貫通させて設けたガスノズル３４を有する。

通常、ガスノズル３４から処理容器４へと導入されるガスは、図示しない流量制御機構により、流量制御される。なお、ガスノズル３４は、図１においては、１本のみ記載されているが、用いるガス種に応じて、複数本設けても良い。

マニホールド１０の上部には、ガス出口３６が設けられており、ガス出口３６には排気系３８が連結される。排気系３８は、ガス出口３６に接続された排気通路４０と、排気通路４０の途中に順次接続された、圧力調整弁４２と真空ポンプ４４と、を含む。排気系３８により、処理容器４内の雰囲気を圧力調整しつつ排気することができる。

なお、マニホールド１０を設けず、処理容器４全体を、例えば石英により形成する構成であっても良い。

処理容器４の外周側には、処理容器４を囲むようにしてウエハＷなどの被処理体を加熱するヒータ装置４８が設けられる。ヒータ装置４８は、円筒体状に形成された有天井の断熱層５０を有する。断熱層５０は、例えば熱伝導性が低く、柔らかい無定形のシリカ及びアルミナの混合物により形成される。断熱層５０の厚さは、通常、３０ｍｍ〜４０ｍｍ程度である。また、断熱層５０の内面は、処理容器４の外面よりも所定の距離だけ離間されている。さらに、断熱層５０の外周面には、例えばステンレススチールよりなる保護カバー５１が、断熱層５０全体を覆うように取り付けられている。

断熱層５０の内周側には、ヒータエレメント５２（特許請求の範囲における、加熱部に対応）が、螺旋状に巻回して配置されている。ヒータエレメント５２は、例えば、断熱層５０の側面の全体に亘って巻回して設けられており、処理容器４の高さ方向の全体をカバーできる構成になっている。即ち、ヒータエレメントの外周側に断熱層５０を設けた構造となっている。

また、内筒８の内側には、熱電対６０（特許請求の範囲における、温度検出部に対応）が挿入され、内筒８内の温度（即ち、ウエハＷの温度）を測定できる構成となっている。

ヒータエレメント５２及び熱電対６０は、高さ方向において、１又は２以上のゾーンに分割されており（図１では便宜上、ゾーンに分割していない例を示す）、各ゾーン毎に制御部７０により、各ゾーン毎に独立して個別に温度制御できる構成となっている。なお、ヒータエレメント５２及び熱電対６０は、高さ方向において、複数のゾーンに分割される構成の場合、単一の制御部７０が、温度制御する構成としても良く、各々のゾーンに対応する制御部を準備して温度制御する構成であっても良い。各々のゾーンに対応して（ゾーン数に応じる複数の）制御部を準備する構成の場合、各々の制御部が、後述する熱処理装置の制御方法を実行するよう構成することが好ましい。

制御部７０は、例えば、図示しない演算処理部、記憶部及び表示部を有する。演算処理部は、例えばＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）を有するコンピュータである。記憶部は、演算処理部に、各種の処理を実行させるためのプログラムを記録した、例えばハードディスクにより構成されるコンピュータ読み取り可能な記録媒体である。表示部は、例えばコンピュータの画面よりなる。演算処理部は、記憶部に記録されたプログラムを読み取り、そのプログラムに従って、加熱部を制御する構成となっている。

［熱処理装置の制御方法］
次に、図１で説明した熱処理装置などの熱処理装置の制御方法を、図２を参照して説明する。図２（ａ）に、本発明に係る熱処理装置の制御方法を説明するための図であって、従来の制御方法を説明する図を示す。なお、図２（ａ）における縦軸は熱処理装置内の温度を指し、横軸は時間を指す。また、図２（ａ）における実線は、図１における熱電対６０などによって検出された熱処理装置内（即ち内筒８内）の温度（以後、アクチャル温度と称する）を指し、点線は熱処理装置の設定温度（特許請求の範囲における、第１の設定温度）を指す。さらに、図２では、予め設定された熱処理装置内の温度が７００℃であり、外乱によって７００℃未満になった熱処理装置の温度を制御する例について説明するが、本発明はこの点において限定されない。

図２（ａ）に示すように、従来の熱処理装置の制御方法では、外乱が発生すると、アクチャル温度が、設定温度に対して低下し始める。アクチャル温度が設定温度よりも低下すると、アクチャル温度を設定温度に戻すように、ヒータに大きな電力が供給されるため、熱処理装置内の温度低下に遅れてヒータの発熱量が大きくなり、アクチャル温度がオーバーシュートする。アクチャル温度がオーバーシュートすると、これに対応して熱処理装置内の温度が目標温度に安定するまでに長い時間がかかり、スループットが低下する。

なお、ここでいう外乱とは、熱処理装置内の設定温度よりも、アクチャル温度を低下させる要因のことを指す。具体的には、図１において、ウエハボート２８に保持された半導体ウエハＷが、昇降機構３０によって処理容器４内にロード（又はアンロード）されることや、プロセス条件の変化、などが挙げられる。プロセス条件の変化とは、例えば、ガス導入手段３２を介してガスノズル３４を通って処理容器４内へと導入されたガスによって、アクチャル温度が低下すること、ガスの排出による処理容器４内の圧力の変化を伴って、アクチャル温度が低下すること、などが挙げられる。

図２（ｂ）に、本発明に係る熱処理装置の制御方法の例を説明する図を示す。図２（ｂ）における縦軸は熱処理装置内の温度を指し、横軸は時間を指す。また、図２（ｂ）における実線は、アクチャル温度を指し、点線は熱処理装置の設定温度又はターゲット温度を指す。また、図３に、本発明に係る熱処理装置の制御方法の例のフロー図を示す。

図２（ｂ）に示すように、本発明に係る熱処理装置の制御方法では、予め設定された設定温度（Ｓ１０１）と比較して、外乱によりアクチャル温度が低下した場合（Ｓ１０２：Ｙｅｓ）、制御部は、まず、設定温度をアクチャル温度と等しい温度（特許請求の範囲における第２の設定温度に対応）へと設定する（Ｓ１０３）。

第１の設定温度から第２の設定温度へと設定温度を変える判定基準としては、外乱によりアクチャル温度が設定温度に対して低下した後であれば、特に限定されない。外乱の要因によっても好ましい判定基準は異なるが、一例としては、アクチャル温度の、時間に対する変化率が所定の閾値を超えたときに、第２の設定温度を設定する；アクチャル温度が、第１の設定温度よりも連続して低くなる時間が、所定の閾値を超えたときに、第２の設定温度を設定する；アクチャル温度と第１の設定温度との差が、所定の閾値を超えたときに、第２の設定温度を設定する；上述した判定基準を組み合わせて第２の設定温度を設定する；ことなどが挙げられるが、本発明はこれらの判定基準に限定されない。

第１の設定温度から第２の設定温度へと設定温度を変えたあと、制御部は、第２の設定温度と第１の設定温度との間にある第３の設定温度を設定し、第３の設定温度とアクチャル温度が等しくなるようにヒータ（特許請求の範囲における加熱部）を制御する（Ｓ１０４）。

第３の設定温度としては、第１の設定温度と第２の設定温度との間であれば特に限定されず、例えば、第１の設定温度と第２の設定温度と間の真ん中の温度を第３の設定温度としても良く；第１の設定温度と第２の設定温度との間を、ｘ：ｙ（ｘ及びｙは各々独立に自然数であり、ｘ＝ｙの場合を除く）に分ける温度を第３の設定温度としても良く；アクチャル温度と第１の設定温度との差が、所定の閾値を超えている場合に、第１の設定温度より前記所定の閾値だけ低い温度を第３の設定温度として良い。

アクチャル温度を第３の設定温度と等しくなるようにヒータを制御する方法としては、特に限定されないが、通常、ランピングレートを変更して制御する。この場合、ランピングレートを所定の値（例えば、２℃／ｍｉｎ、１０℃／ｍｉｎなど）に設定しても良く、第２の設定温度から第３の設定温度へとリカバリする時間が、所定の時間（例えば、１０ｍｉｎ）となるように、第３の設定温度（又は、第１の設定温度及び前記所定の閾値）と、アクチャル温度と、前記所定の時間と、からランピングレートを設定しても良い。

アクチャル温度が第３の設定温度が等しくなった後に、制御部は、再び第１の設定温度を設定し、第１の設定温度とアクチャル温度とが等しくなるようにヒータを制御する（Ｓ１０５）。

アクチャル温度を第１の設定温度と等しくなるようにヒータを制御する方法としては、特に限定されないが、前述と同様、通常、ランピングレートを変更して制御する。この場合も、ランピングレートを所定の値（例えば、２℃／ｍｉｎ、１０℃／ｍｉｎなど）に設定しても良く、第３の設定温度から第１の設定温度へとリカバリする時間が、所定の時間（例えば、１０ｍｉｎ）となるように、第１の設定温度と、アクチャル温度と、前記所定の時間と、からランピングレートを設定しても良い。

本発明では、外乱が発生して熱処理装置内の温度が第１の設定温度から低下した場合に、第１の設定温度へと速やかかつオーバーシュート無く（又は抑制して）リカバリするために、先ず第２の設定温度を設定し、その後第１の設定温度と第２の設定温度との間に第３の設定温度とを設定する例について述べた。しかしながら、本発明はこれに限定されず、第１の設定温度と第２の設定温度との間に、第３の設定温度を設定してアクチャル温度と第３の設定温度が等しくなるように加熱部を制御し、その後、第３の設定温度と第１の設定温度との間に、第４の設定温度（更には第ｎ（ｎは５以上の自然数）の設定温度）を設定して、アクチャル温度と第４の設定温度が等しくなるように加熱部を制御して、その後、アクチャル温度を第１の設定温度へとリカバリする、多段ステップの構成であっても良い。

なお、制御部が記憶部を有する実施形態の場合は、プロセス条件又は半導体ウエハＷのロード速度に応じて、上述した制御方法を記憶する構成であっても良い。そのような構成とすることによって、熱処理装置の制御方法が同じ若しくは予測性が高いとき、及び／又は、ウエハボート２８に保持された半導体ウエハＷのロード速度が同じ若しくは予測性が高いとき、記憶部に記憶された以前の制御方法を呼び出して実行する構成とすることができる。

本発明は、基板を処理する処理室と、前記処理室に収納された被処理体を加熱する加熱部と、前記処理室内の温度を検出する温度検出部と、予め設定された設定温度と前記温度検出部が検出した温度とが等しくなるように、前記加熱部を制御する制御部と、を有する熱処理装置に対して、
前記温度検出部によって検出された温度が、外乱によって、予め設定された第１の設定温度より低くなった場合に、前記温度検出部によって検出された温度と等しい第２の設定温度を設定するステップと、
前記第２の設定温度と前記第１の設定温度との間にある第３の設定温度と、前記温度検出部が検出した温度と、が等しくなるように前記加熱部を制御するステップと、
前記第３の設定温度と前記温度検出部が検出した温度とが等しくなった後に、前記第１の設定温度と、前記温度検出部が検出した温度と、が等しくなるように前記加熱部を制御するステップと、
を有して、熱処理装置を制御することによって、外乱によって熱処理装置内部の温度が低下した場合においても、熱処理装置の出力の大幅な上昇を抑制することができ、オーバーシュートを抑制する（又は無くす）ことができるため、熱処理装置内部の温度を、自動で、かつ、速やかにリカバリさせることができる。

２熱処理装置
４処理容器
６外筒
８内筒
２８ウエハボート
４８ヒータ装置
５０断熱層
５１保護カバー
５２ヒータエレメント
６０熱電対
７０制御部
Ｗ半導体ウエハ

Claims

被処理体を収納する処理室と、
前記処理室に収納された被処理体を加熱する加熱部と、
前記処理室内の温度を検出する温度検出部と、
前記温度検出部によって検出された温度が、外乱によって、予め設定された第１の設定温度より低くなった場合に、前記温度検出部によって検出された温度と等しい第２の設定温度を設定し、かつ、
前記第２の設定温度と前記第１の設定温度との間にある第３の設定温度と、前記温度検出部が検出した温度と、が等しくなるように前記加熱部を制御し、かつ
前記第３の設定温度と前記温度検出部が検出した温度とが等しくなった後に、前記第１の設定温度と、前記温度検出部が検出した温度と、が等しくなるように前記加熱部を制御する、制御部と、
を備える熱処理装置。
前記制御部は、
前記温度検出部によって検出された温度が、外乱によって、予め設定された前記第１の設定温度より低くなった場合であって、前記温度検出部が検出した温度の時間に対する変化率が所定の閾値を超えたときに、前記第２の設定温度を設定する、請求項１に記載の熱処理装置。
前記制御部は、
前記温度検出部によって検出された温度が、外乱によって、予め設定された前記第１の設定温度より低くなった場合であって、前記温度検出部によって検出された温度が、外乱によって、前記第１の設定温度よりも連続して低くなる時間が、所定の閾値を超えたときに、前記第２の設定温度を設定する、請求項１又は２に記載の熱処理装置。
前記制御部は、
前記温度検出部によって検出された温度が、外乱によって、予め設定された前記第１の設定温度より低くなった場合であって、前記温度検出部によって検出された温度と、前記第１の設定温度と、の差が、所定の閾値を超えたときに、前記第２の設定温度を設定する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の熱処理装置。
前記制御部は、前記被処理体を加熱するランピングレートを変更するように、前記加熱部を制御する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の熱処理装置。
基板を処理する処理室と、
前記処理室に収納された被処理体を加熱する加熱部と、
前記処理室内の温度を検出する温度検出部と、
予め設定された設定温度と前記温度検出部が検出した温度とが等しくなるように、前記加熱部を制御する制御部と、
を有する熱処理装置の制御方法であって、
前記温度検出部によって検出された温度が、外乱によって、予め設定された第１の設定温度より低くなった場合に、前記温度検出部によって検出された温度と等しい第２の設定温度を設定する、第１のステップと、
前記第２の設定温度と前記第１の設定温度との間にある第３の設定温度と、前記温度検出部が検出した温度と、が等しくなるように前記加熱部を制御する、第２のステップと、
前記第３の設定温度と前記温度検出部が検出した温度とが等しくなった後に、前記第１の設定温度と、前記温度検出部が検出した温度と、が等しくなるように前記加熱部を制御する、第３のステップと、
を有する熱処理装置の制御方法。
前記第１のステップは、
前記温度検出部によって検出された温度が、外乱によって、予め設定された第１の設定温度より低くなった場合であって、前記温度検出部が検出した温度の時間に対する変化率が所定の閾値を超えたときに、前記第２の設定温度を設定する、請求項６に記載の熱処理装置の制御方法。
前記第１のステップは、
前記温度検出部によって検出された温度が、外乱によって、予め設定された第１の設定温度より低くなった場合であって、前記温度検出部によって検出された温度が、外乱によって、前記第１の設定温度よりも連続して低くなる時間が、所定の閾値を超えたときに、前記第２の設定温度を設定する、請求項６又は７に記載の熱処理装置の制御方法。
前記第１のステップは、
前記温度検出部によって検出された温度が、外乱によって、予め設定された第１の設定温度より低くなった場合であって、前記温度検出部によって検出された温度と、前記第１の設定温度と、の差が、所定の閾値を超えたときに、前記第２の設定温度を設定する、請求項６乃至８のいずれか一項に記載の熱処理装置の制御方法。