JP3156110B2

JP3156110B2 - 熱処理炉の温度制御方法

Info

Publication number: JP3156110B2
Application number: JP20005993A
Authority: JP
Inventors: 勝夫西
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1993-07-19
Filing date: 1993-07-19
Publication date: 2001-04-16
Anticipated expiration: 2016-04-16
Also published as: JPH0737828A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、熱処理炉の温度制御
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体製造工程においては、被処
理体である半導体ウエハ（以下にウエハという）の表面
に薄膜や酸化膜を積層したり、あるいは不純物の拡散を
行うために、ＣＶＤ装置、酸化膜形成装置、あるいは拡
散装置などが用いられている。そして、この種の装置の
１つとして、ウエハを垂直方向に多段に配列保持して、
高温加熱した反応容器等のプロセスチュ−ブ（処理室）
内に収容すると共に、処理室内に導入される反応ガスに
よって処理する縦型の熱処理炉が使用されている。

【０００３】上記縦型熱処理炉は、図４に示すように、
石英ガラス等からなる有底筒状のプロセスチューブ１
と、底部を上面にして縦置きに設けられたこのプロセス
チューブ１を隙間２をおいて包囲すると共にその内壁面
に加熱手段としてのヒータ３を有する断熱性の炉本体４
と、ウエハＷを垂直方向に多段に配列保持する石英製の
ウエハボート５と、このウエハボート５を昇降させる昇
降機構６とで主要部が構成されている。この場合、隙間
２には供給口７と排気口８とが開設され、プロセスチュ
ーブ１内には反応ガス導入管９が挿入されると共に排気
管１０が接続されている。また、ウエハボート５は、ウ
エハＷを多段に保持する保持部５ａの下に保温筒１１を
介して蓋体１２が設けられており、この蓋体１２がプロ
セスチューブ１の開口を塞ぐことによってプロセスチュ
ーブ１内が密封されるように構成されている。これによ
り、プロセスチューブ１内を排気管１０から真空引きし
つつ反応ガス供給管９から所定の反応ガスをプロセスチ
ューブ１内に供給することができる。

【０００４】上記のように構成される縦方熱処理炉を用
いてウエハＷ表面の不純物拡散処理を行うには、まず、
供給口７及び排気口８のシャッタ１３ａ，１３ｂを閉じ
た状態にして、ウエハボート５を上昇させてウエハＷを
プロセスチューブ１内に収容する。次に、ヒータ３によ
ってプロセスチューブ１内を所定温度に加熱した後、反
応ガス導入管９から反応ガスをプロセスチューブ１内に
供給してウエハＷ表面の不純物拡散処理を行う。

【０００５】ところで、集積回路の高速化、高集積化等
に伴ってウエハＷ表面の拡散深さを浅くする傾向にあ
る。浅い拡散深さを制御するためには、被処理体である
ウエハＷの温度を短時間で所定の温度まで上昇させ、且
つその温度の保持時間を正確に制御する必要がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ウエハ
Ｗを短時間で加熱しようとすると、ウエハＷの温度とヒ
ータ３の温度（具体的にはヒータ部に設けた熱電対の温
度）との温度差が著しく、例えば、ヒータ３が１０分で
１０００℃になってもウエハは２０分経たなければ目標
の１０００℃にならないというような不都合が生じる。
そこで、プロセスチューブ１内のウエハＷの近傍にも熱
電対を設け、その内部熱電対の検出温度に基いてヒータ
３の温度を制御する方法が考えられるが、ウエハＷを短
時間で加熱しようとする場合、ウエハＷと内部熱電対と
の温度差も無視できない程度に大きくなる。また、実際
のプロセスではウエハＷの実際の温度は知ることができ
ない。したがって、ウエハＷ表面の浅い拡散深さを再現
性良く制御することができないという問題があった。

【０００７】また、この種の縦型熱処理炉においては、
同時に多数のウエハを処理するため、上部、中間部、下
部に位置するウエハ間に温度差が生じてしまい、均一な
温度下で処理が行えず、歩留まりの低下を招くという問
題もあった。

【０００８】この発明は上記事情に鑑みなされたもの
で、被処理体を均一かつ適正な温度下で再現性良く高速
加熱処理して、スループットの向上及び歩留まりの向上
を図れるようにした熱処理炉の温度制御方法を提供する
ことを目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明の熱処理炉の温度制御方法は、処理室内に
複数の被処理体を配列して収容し、処理室の外部に設け
た加熱手段で加熱するに当って、実際の処理の前に、上
記処理室に、温度検出手段を取り付けたデータ作成用の
被処理体を配置して上記加熱手段による加熱を行い、そ
のときの被処理体自体の温度と、加熱手段の温度と、処
理室の内部温度とを測定してその測定データを記憶手段
に記憶しておき、実際の処理の際に、処理室の内部温度
と上記データとに基いて上記加熱手段の温度を制御する
ようにしたことを特徴とするものである。

【００１０】この発明において、上記加熱手段が上記被
処理体の配列方向に沿って分割配置され、上記加熱手段
に対応して温度検出手段が取り付けられたデータ作成用
の被処理体と、処理室の内部温度検出手段とを分割配置
して、上記被処理体自体の温度と、加熱手段の温度と、
処理室の内部温度とを測定してその測定データを記憶手
段に記憶し、上記処理室の内部温度検出手段による検出
温度と上記データとに基いて各加熱手段の温度を制御す
ることが望ましい。

【００１１】

【作用】処理室内に収容した被処理体を処理室の外部に
設けた加熱手段によって短時間で加熱しようとすると、
加熱手段の温度ＴＨと、処理室の内部温度ＴＩと、被処
理体の温度ＴＷは、例えば図２に示すように変化する。
図２の例では、加熱手段の温度ＴＨが初期温度２００℃
から目標温度である１０００℃に１０分で達し、その後
さらに１０分経過して被処理体の温度ＴＷが目標温度に
なり、その直後に処理室の内部温度ＴＩが目標温度に達
している。この測定結果は、使用する熱処理炉の構造、
被処理体の処理枚数および加熱手段の昇温度速度などの
諸条件が同じであれば常に同一結果になり、加熱途中の
任意の時点における加熱手段の温度ＴＨ、処理室の内部
温度ＴＩ及び被処理体の温度ＴＷはそれぞれ対応関係に
ある。すなわち、加熱途中のある時点における処理室の
内部温度ＴＩを指定すれば、その時点における加熱手段
の温度ＴＨと被処理体の温度ＴＷとが一義的に求まる。

【００１２】したがって、この発明の方法によれば、実
際の処理の前に、処理室に、温度検出手段を取り付けた
データ作成用の被処理体を配置して加熱手段による加熱
を行い、そのときの被処理体自体の温度と、加熱手段の
温度と、処理室の内部温度とを測定してその測定データ
を記憶手段に記憶し、実際の処理の際に、処理室の内部
温度ＴＩと上記記憶手段のデータとに基いて加熱手段の
温度ＴＨを制御することにより、被処理体の急速加熱状
況に応じた温度制御を正確に行うことができ、被処理体
表面の浅い拡散深さを再現性良く制御することができる
ようになる。

【００１３】また、上記加熱を分割配置された加熱手段
で行い、上記加熱手段に対応して温度検出手段が取り付
けられたデータ作成用の被処理体と、処理室の内部温度
検出手段とを分割配置して、上記被処理体自体の温度
と、加熱手段の温度と、処理室の内部温度とを測定して
その測定データを記憶手段に記憶し、上記処理室の内部
温度検出手段による検出温度と上記記憶手段のデータと
に基いて各加熱手段の温度を制御することにより、被処
理体を均一温度下で処理することができるようになる。

【００１４】

【実施例】次に、この発明の実施例を図面に基いて詳細
に説明する。ここでは、この発明の温度制御方法を半導
体ウエハの縦型熱処理炉に適用した場合について説明す
る。なお、図４に示した従来の熱処理炉と同じ部分には
同符号を付して説明する。

【００１５】図１はこの発明の温度制御方法で温度制御
を行う縦型熱処理炉の断面図が示されている。

【００１６】この熱処理炉は、石英ガラス等からなる有
底筒状のプロセスチューブ１と、底部を上面にして直立
されたこのプロセスチューブ１を隙間２をおいて包囲す
ると共にその内壁面に加熱手段としてのヒータ３を有す
る断熱性の炉本体４と、ウエハＷを垂直方向に多段に配
列保持する石英製のウエハボート５と、このウエハボー
ト５を昇降させる昇降機構６とで主要部が構成されてい
る。そして、上記隙間２に連通する供給口７と排気口８
に、それぞれ冷却空気の供給送風機１５と排気送風機１
６を接続して、隙間２内に強制的に冷却空気を供給し得
るように構成されている。さらに、高速熱処理炉には、
この発明の方法によってウエハＷの温度制御を行うため
の温度制御装置が具備されている。

【００１７】温度制御装置は、ウエハＷの配列方向に沿
って複数（上部、中央部及び下部）に分割配置される上
部ヒータ３ａ，中央部ヒータ３ｂ及び下部ヒータ３ｃ
と、プロセスチューブ１内に垂直に配置される石英管１
７内に挿入されてウエハボート５にて保持されるウエハ
Ｗの近傍の複数箇所（上部ヒータ３ａ，中央部ヒータ３
ｂ及び下部ヒータ３ｃに対応する上部、中央部及び下
部）に配置される温度検出手段である内部上部熱電対１
８ａ，内部中央部熱電対１８ｂ及び内部下部熱電対１８
ｃと、これら内部熱電対１８ａ，１８ｂ及び１８ｃから
の検出温度信号を受けて上記ヒータ３ａ，３ｂ及び３ｃ
を制御する制御手段である温度コントロ−ラ２０とで概
ね構成されている。

【００１８】上記各ヒータ３ａ，３ｂ及び３ｃの温度は
それぞれの近傍に配置されるヒータ部熱電対１９ａ，１
９ｂ及び１９ｃによって検出され、その検出信号は温度
コントローラ２０に入力されるようになっている。この
温度コントローラ２０は、図示しないマイクロコンピュ
−タを内蔵しており、実際の処理に先立って収集した上
部、中央部及び下部のウエハの温度ＴＷ（ＴＷｈ，ＴＷ
ｍ及びＴＷｌ）と、上記ヒータ部熱電対１９ａ〜１９ｃ
の検出温度ＴＨ（ＴＨｈ，ＴＨｍ及びＴＨｌ）及び内部
熱電対１８ａ〜１８ｃの検出温度ＴＩ（ＴＩｈ，ＴＩｍ
及びＴＩｌ）とを温度データとして記憶手段であるメモ
リ２１に記憶し、実際の処理中、内部熱電対１８ａ〜１
８ｃの検出温度ＴＩと温度データとを比較演算してヒー
タ電源２２を制御するようにプログラムされている。

【００１９】この場合、ウエハＷの温度ＴＷを予め測定
するためのデータ作成用のウエハ（以下にダミーウエハ
という）ＤＷは、上部用（ＤＷａ）、中間部用（ＤＷ
ｂ）及び下部用（ＤＷｃ）の計３枚が用意され、各ダミ
ーウエハＤＷａ、ＤＷｂ及びＤＷｃのそれぞれに温度検
出手段であるウエハ熱電対３０ａ、３０ｂ、３０ｃが取
り付けられる。そして、ウエハ熱電対３０ａ、３０ｂ及
び３０ｃの検出温度ＴＷｈ，ＴＷｍ及びＴＷｌが温度コ
ントローラ２０に入力されるようになっている。なお、
これらダミーウエハＤＷａ，ＤＷｂ及びＤＷｃは、温度
データ収集の際に炉内に装着され、実際の処理の際には
取り外されるものである。

【００２０】上記プロセスチューブ１と炉本体４との間
の隙間２に連通する供給口７は炉本体４の下部に設けら
れた環状空間２３の周方向に等間隔に複数、例えば８個
設けられている。そして、これら供給口７には隙間２内
に突出させてノズル２４が接続されて、供給ファン１５
から供給される冷却空気が均一に隙間２内に流れるよう
になっている。また、排気口８はシャッタ１３ｂ及びダ
クト２５を介して工場等に設備される排気ダクト２６に
接続されている。ダクト２５には、冷却に供されて高温
度になった排気空気を室温まで冷却する熱交換器２７
と、排気空気を円滑に排気ダクト２６に吸引する排気フ
ァン１６が介設されている。この排気ファン１６と上記
供給ファン１５にはそれぞれインバ−タ２９，２８が取
り付けられており、温度コントローラ２０によってファ
ン回転数が制御されるようになっている。

【００２１】また、上記プロセスチューブ１内には反応
ガス導入管９が挿入されており、この反応ガス導入管９
の長手方向に適宜間隔をおいて開設されたガス導入口９
ａからプロセスチューブ１内に均一に反応ガスが供給さ
れるように構成されている。また、プロセスチューブ１
には排気管１０が接続されており、この排気管１０に接
続される図示しない真空ポンプ等の吸引手段によってプ
ロセスチューブ１内が真空引きされると共に、反応ガス
の換気を行えるように構成されている。

【００２２】一方、上記ウエハボート５は、ウエハＷを
多段状に保持する保持部５ａの下に保温筒１１を介して
石英製の蓋体１２が設けられており、この蓋体１２がプ
ロセスチューブ１の開口を塞ぐことによって蓋体１２に
周設されたＯリング１２ａによってプロセスチューブ１
内が密封されるように構成されている。したがって、プ
ロセスチューブ１内を排気管１０より真空引きし、更に
排気管１０からの排気を行いつつ反応ガス導入管９から
所定の反応ガスをプロセスチューブ１内に供給すること
ができる。

【００２３】次に、この発明の温度制御方法による高速
熱処理炉の動作態様について説明する。

【００２４】この発明の温度制御方法では、実際の処理
を行う前に、上記メモリ２１に記憶させるべき温度デー
タの収集を行う。その際、まず、供給口７及び排気口８
のシャッタ１３ａ，１３ｂを閉じて供給口７と排気口８
を塞ぐ。そして、ウエハボート５の上部、中間部及び下
部にそれぞれウエハ熱電対３０ａ、３０ｂ、３０ｃが取
り付けられたダミーウエハＤＷａ、ＤＷｂ及びＤＷｃを
装着し、昇降機構６の駆動によりウエハボート５を上昇
させてプロセスチューブ１内に挿入する。次に、温度コ
ントローラ２０を温度データ作成モードにした状態で、
目標温度（例えば１０００℃）を設定してヒータ電源２
２をＯＮにすると同時に、ウエハ熱電対３０ａ，３０ｂ
及び３０ｃと、内部熱電対１８ａ，１８ｂ及び１８ｃ
と、ヒータ部熱電対１９ａ，１９ｂ及び１９ｃとによる
温度測定を開始する。これら熱電対３０ａ〜３０ｃ，１
８ａ〜１８ｃ及び１９ａ〜１９ｃによる測定データは、
温度コントローラ２０のマイクロコンピュータによって
温度制御用のデータに変換されてメモリ２１に記憶され
る。この温度制御用のデータは、すなわち、各時点にお
けるウエハＷの温度ＴＷとプロセスチューブ１の内部温
度ＴＩとヒータ３の温度ＴＨとの間の対応関係を示すデ
ータであり、図２のようなグラフデータに相当するもの
である。そして、ウエハＷの温度ＴＷが目標温度になる
まで測定を行って温度制御用のデータを収集した後、ヒ
ータ電源２２をＯＦＦにし、ウエハボート５を下降させ
てダミーウエハＤＷａ、ＤＷｂ及びＤＷｃを取り外す。

【００２５】以上のようにして温度制御用のデータを作
成した後、実際の処理動作に入る。その際、まず、供給
口７及び排気口８のシャッタ１３ａ，１３ｂを閉じて供
給口７と排気口８とを塞ぐ。そして、ウエハボート５に
未処理のウエハＷを装着し、昇降機構６の駆動によりウ
エハボート５を上昇させてプロセスチューブ１内に挿入
する。次に、温度コントローラ２０を実処理モードにし
た状態で、目標温度を設定し、ヒータ電源２２をＯＮに
して加熱を開始する。その際、温度コントローラ２０
は、内部熱電対１８ａ，１８ｂ及び１８ｃによってプロ
セスチューブ１の内部温度ＴＩを常時監視する。そし
て、内部温度ＴＩとメモリ２１に記憶された測定データ
とに基いてヒータ３ａ，３ｂ及び３ｃの温度を制御し、
ウエハＷを目標温度まで加熱する。

【００２６】次いで、ウエハＷの温度を目標温度に保持
した状態で、反応ガス供給管９から反応ガスをプロセス
チューブ１内に供給してウエハＷ表面に不純物の拡散を
行う。この拡散処理を所定時間行った後、排気ファン１
６と供給ファン１５を回転させ降温を行う。この時、内
部熱電対１８ａ，１８ｂ，１８ｃの温度を検出し希望と
する降温速度になるように排気ファン１６と供給ファン
１５の回転数を変化させ温度コントローラ２０で制御す
ると同時に、プロセスチューブ１内にパージガスとして
例えば窒素（N2）ガスを導入してパージを行う。そし
て、プロセスチューブ１内の温度が所定温度（例えば２
５℃）まで低下した後、排気ファン１６と供給ファン１
５を止め、昇降機構６の駆動によりウエハボート５を下
降させてウエハＷを取り出して処理作業は完了する。

【００２７】この発明の温度制御方法によれば、実際の
ウエハ上の温度データと、その時の内部熱電対のデータ
を基にヒータ温度を制御することによりウエハＷの処理
を行うことができるので、ウエハＷの浅い拡散深さを再
現性良く制御することができる。また、プロセスチュー
ブ１内の各部の温度を内部熱電対１８ａ，１８ｂ及び１
８ｃによって検出し、その検出温度に基いてヒータ３
ａ，３ｂ及び３ｃの加熱温度を制御することによって各
部のウエハＷの温度を均一にすることができる。

【００２８】なお、この発明の温度制御方法は、例えば
図３に示すように、上記ヒータ３を短時間で目標温度以
上に加熱して、ウエハＷを目標温度に急速加熱する場合
にも有効に適用することができる。また、上記実施例で
は、ヒータ３をウエハＷの配列方向に沿って３分割して
設けると共に、温度検出手段であるヒータ部熱電対１
９、内部熱電対１８及びウエハ熱電対３０をそれぞれ３
箇所に分割配置して温度測定を行う場合について説明し
たが、ヒータと熱電対は必ずしも３分割である必要はな
く、２分割、あるいは４分割以上であってもよい。ま
た、上記実施例では、この発明の温度制御方法を半導体
ウエハの熱処理装置の温度制御に適用した場合について
説明したが、半導体ウエハ以外の例えばガラス基板、Ｌ
ＣＤ基板等の被処理体の熱処理装置にも適用できること
は無論である。

【００２９】

【発明の効果】以上要するに、この発明によれば以下の
ような優れた効果が発揮できる。

【００３０】１）加熱手段の温度、処理室の内部温度及
び被処理体の温度を予め測定してその測定データを記憶
手段に記憶しておき、実際の処理の際に、処理室の内部
温度と上記測定データとに基いて加熱手段の温度を制御
することにより、被処理体の急速加熱状況に応じた温度
制御を正確に行うことができる。したがって、被処理体
表面の浅い拡散深さを再現性良く制御することができる
ようになる。

【００３１】２）加熱手段が被処理体の配列方向に沿っ
て分割配置され、加熱手段に対応して温度検出手段が取
り付けられたデータ作成用の被処理体と、処理室の内部
温度検出手段とを分割配置して、被処理体自体の温度
と、加熱手段の温度と、処理室の内部温度とを測定して
その測定データを記憶手段に記憶し、処理室の内部温度
検出手段による検出温度と上記測定データとに基いて各
加熱手段の温度を制御することにより、被処理体を均一
温度下で処理することができる。したがって、スループ
ットの向上及び歩留まりの向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の温度制御方法を適用して温度制御を
行う縦型熱処理炉の実施例を示す断面図である。

【図２】急速加熱時におけるヒータの温度、処理室の内
部温度及び被処理体の温度の測定データの一例を示すグ
ラフである。

【図３】急速加熱時におけるヒータの温度、処理室の内
部温度及び被処理体の温度の測定データの他の例を示す
グラフである。

【図４】従来の縦型熱処理炉を示す断面図である。

【符号の説明】

１プロセスチューブ（処理室）３ａ上部ヒータ（加熱手段）３ｂ中央部ヒータ（加熱手段）３ｃ下部ヒータ（加熱手段）４炉本体１８ａ内部熱電対１８ｂ内部熱電対１８ｃ内部熱電対１９ａヒータ部熱電対１９ｂヒータ部熱電対１９ｃヒータ部熱電対２０温度コントローラ２１メモリ（記憶手段）３０ａウエハ熱電対（温度検出手段）３０ｂウエハ熱電対（温度検出手段）３０ｃウエハ熱電対（温度検出手段）ＤＷａデータ作成用のウエハＤＷｂデータ作成用のウエハＤＷｃデータ作成用のウエハＷウエハ（被処理体）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/205 H01L 21/22 - 21/24 H01L 21/31 H01L 21/365 H01L 21/38 - 21/40 H01L 21/469 H01L 21/86

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】処理室内に複数の被処理体を配列して収
容し、処理室の外部に設けた加熱手段で加熱処理するに
当って、実際の処理の前に、上記処理室に、温度検出手段が取り
付けられたデータ作成用の被処理体を配置して上記加熱
手段による加熱を行い、そのときの被処理体自体の温度
と、加熱手段の温度と、処理室の内部温度とを測定して
その測定データを記憶手段に記憶しておき、実際の処理
の際に、処理室の内部温度と上記データとに基いて上記
加熱手段の温度を制御するようにしたことを特徴とする
熱処理炉の温度制御方法。
【請求項２】上記加熱手段が上記被処理体の配列方向
に沿って分割配置され、上記加熱手段に対応して温度検
出手段が取り付けられたデータ作成用の被処理体と、処
理室の内部温度検出手段とを分割配置して、上記被処理
体自体の温度と、加熱手段の温度と、処理室の内部温度
とを測定してその測定データを記憶手段に記憶し、上記
処理室の内部温度検出手段による検出温度と上記データ
とに基いて各加熱手段の温度を制御するようにしたこと
を特徴とする請求項１記載の熱処理炉の温度制御方法。