JP3954472B2 - 基板処理装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加熱炉にシリコンウエハ等の基板を収容し、加熱炉内を所定の温度に加熱しつつ反応ガスを供給して基板上に薄膜を形成する基板処理装置に関するもので、特に、加熱炉の温度制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
基板処理装置として、例えば加熱炉を備えた枚葉装置にあっては、加熱炉にシリコンウエハ等の基板を収容し、加熱炉内を所定の温度に加熱しつつ反応ガスを供給して、基板上に薄膜を形成する。半導体製造において、加熱炉内の温度条件は極めて重要であり、この温度制御の精度が品質に大きく影響する。枚葉装置においては、縦型拡散炉のようなバッチ処理炉に比べ、よりウエハ内の温度均一性が要求される。
【０００３】
図６は、従来の基板処理装置を説明するためのもので、加熱炉の反応室内のヒータを真上から見た構成図である。図７は同基板処理装置を側面から見た側断面図である。
従来の基板処理装置は、例えば枚葉装置においては、反応室２０内に、基板５を載置する基板保持用サセプタ（以下単にサセプタという）４と、反応室２０内を加熱するプレートヒータＰＨと、基板５上に反応ガス３４を供給するシャワーヘッド２８と、プレートヒータＰＨの温度を測定する熱電対６，７，８と、サセプタ４の温度を測定する放射温度計９、１０、１１とが配設されている。
【０００４】
熱電対６は、プレートヒータＰＨの内、中心ヒータ１の温度を測定するセンター熱電対（以下中心温度センサという）であり、熱電対７は、プレートヒータＰＨの中間ヒータ２の温度を測定するミドル熱電対（以下中間温度センサという）であり、熱電対８は、プレートヒータＰＨの外周ヒータ３の温度を測定するアウター熱電対（以下外周温度センサという）である。放射温度計９はサセプタ４の中心部分の温度を測定するセンター放射温度計であり、放射温度計１０は、サセプタ４の中間部分の温度を測定するミドル放射温度計であり、放射温度計１１は、サセプタ４の外周部分の温度を測定するアウター放射温度計である。また、反応室２０には、基板５の搬入出を行うための基板トランスファポート２０ａと、反応ガス３４の排気を行うための排気口２０ｂが設けられている。
【０００５】
反応室２０での処理は、プレートヒータＰＨによって反応室２０内を所定の温度に加熱しつつシャワーヘッド２８によって反応ガス３４を供給して基板５上に薄膜を形成することにより行われる。この際、回転機構により基板は回転される。図７においては、プレートヒータＰＨに対して、基板５が載置されたサセプタ４がサセプタ支持部４Ａと共に回転可能とされている。このサセプタ支持部４Ａは、その下方に設けられた不図示のモータにより図示矢印方向に回転可能である。
【０００６】
図８は、加熱炉の温度制御システムの構成を示すブロック図である。図８に示す加熱炉の温度制御システムにおいて、温度コントローラ１２は、反応室（反応炉）２０の実質的な温度制御を行うもので、反応炉は、多ゾーン（３ゾーン〜１０ゾーン）に分割されており、各ゾーンの温度を制御する。温度コントローラ１２は、通常、制御モード、制御パラメータを温度制御項目として上位コントローラ１３から受け取り、温度制御項目に従って動作し、各ゾーンの制御偏差が０になるように（目標温度と温度測定値が一致するように）フィードバック制御（ＰＩＤ制御）を実行する。
【０００７】
温度コントローラ１２は、温度コントローラＡＤ部１２ａと温度コントローラ制御部１２ｂ及びゲートパルス生成部１２ｃとを備えてなり、ヒータまたはサセプタの検出温度に基づいてヒータへの供給電力を制御するサイリスタ１４を駆動制御するようになされている。
【０００８】
ここで、前記温度コントローラＡＤ部１２ａは、ヒータ温度を制御する場合は、上述した中心ヒータ１、中間ヒータ２、外周ヒータ３の温度を検出する熱電対を用いた中心温度センサ６、中間温度センサ７、外周温度センサ８からのヒータ温度に応じた起電力を入力しテジタル信号に変換して温度測定値として出力すると共に、サセプタ温度を制御する場合は、基板５を支持するサセプタ４の中心部、中間部、外周部の温度を検出する放射温度計９、１０、１１からの信号を入力しテジタル信号に変換して温度測定値として出力する。
【０００９】
また、温度コントローラ制御部１２ｂとしては、温度コントローラＡＤ部１２ａからの温度測定値と上位コントローラ１３から入力した温度目標値との制御偏差を求める加算器１５と、加算器１５からの制御偏差に基づいて上位コントローラ１３から指定されたＰＩＤ定数パラメータを使用してＰＩＤ演算を行い、操作量を求めてゲートパルス生成（回路）１２ｃに出力するＰＩＤ演算制御（部）１６とを備えており、ゲートパルス生成回路１２ｃは、ＰＩＤ演算制御部１６からの操作量からパルス幅を算出し出力パルス（ゲートパルス）を生成して、ヒータ１３の供給電力を制御するサイリスタ１４に出力する。
【００１０】
なお、基板及びサセプタの温度測定値に基づいて基板の均一加熱を行うための半導体製造装置が開示されている（例えば特許文献１及び２参照）。
【００１１】
【特許文献１】
特開２００１−２１０５９６号公報
【特許文献２】
特開２００２−１７５１２３号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
このような加熱炉の温度制御システムを備える従来の基板処理装置において、実際の製造プロセス時には、反応ガス３４を基板５上で均一に反応させる為に、基板５及びサセプタ４を回転機構により回転させる。しかし、温度制御にとって、回転は加熱むらや位置関係の要因で外乱となり、基板面内の温度ばらつきを逆に増幅させてしまい、基板面内の膜厚均一性を出すのが難しかった。
【００１３】
本発明は上述した点に鑑みてなされたもので、外乱による影響を最小限に抑え、基板面内の温度ばらつきを逆に増幅させてしまうことなく、基板面内の均一な温度制御を可能にすることができる、回転機構を持つ装置に適した加熱炉の温度制御システムを備える基板処理装置を提供することを目的とするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、炉内において基板を回転させつつ、目標温度と温度測定値との偏差に基づいて操作量を演算し、ヒータの加熱制御を行う基板処理装置において、前記目標温度と所定のサンプリングより得られる温度測定値との偏差を一定時間平準化して得られる偏差に基づいて前記ヒータの加熱制御を行う温度制御手段を設けたことを特徴とする。
【００１５】
尚、本発明の実施の形態においては、加熱炉の反応室内に収容されヒータによる基板内の加熱温度の均一性を保つべく回転する基板の目標温度と温度測定値との偏差に基づいて前記偏差が０となるようにＰＩＤ演算して操作量を出力するＰＩＤ演算制御部を有し、このＰＩＤ演算制御部からの操作量に基づいて前記ヒータへの駆動電力を制御する温度コントローラを備えた基板処理装置において、前記温度コントローラに、前記基板の回転時間に応じた偏差フィルタ定数が予め設定された制御パラメータテーブルを有し、前記基板の回転時に、回転時間に応じた偏差フィルタ定数を前記制御パラメータテーブルから求めて当該偏差フィルタ定数に基づいて目標温度と所定のサンプリングより得られる温度測定値との偏差を一定時間平準化して得られる最終的な偏差を前記ＰＩＤ演算制御部に出力する回転時制御部を備えたことを特徴とする基板処理装置が開示されている。
【００１６】
このような構成によれば、外乱による影響を最小限に抑え、基板面内の温度ばらつきを逆に増幅させてしまうことなく、基板面内の均一な温度制御を可能にすることができる、回転機構を持つ装置に適した加熱炉の温度制御システムを提供できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の形態に係る基板処理装置の温度制御システムを示す構成図である。図１において、図８に示す従来例と同一部分は同一符号を付してその説明は省略する。また、本発明のシステムが適用される基板処理装置の外観構成は、図７に示したものと同じであり、ここでの説明は省略する。新たな符号として、１７と１８は温度コントローラ制御部１２に備えられた回転時制御（部）とスイッチを示し、この回転時制御部１７は、回転制御時にスイッチ１８による切換制御により、加算器１５とＰＩＤ演算制御部１６との間に設けられて、回転時の温度むらを収束させるべく、平準化偏差を求めてＰＩＤ演算制御部１６に出力する。
【００１８】
次に動作について説明する。図１に示す温度コントローラ制御部１２ｂでは、制御演算にＰＩＤ演算制御を用いているが、目標値と実側値差である加算器１５からの温度偏差をＰＩＤ演算制御部１６に直に与えるのではなく、必要時（回転時）には、スイッチ１８により、ＰＩＤ演算制御部１６の前段に平準化効果のある回転時制御部１７による平準化機能を入れるようにスイッチングする仕組みを持つ。
【００１９】
図２は、回転時制御部１７による平準化機能を説明するもので、温度を読み取ってＰＩＤ演算して電力調整までの一連の動作を行う温度制御間隔Ａ〜Ｊを示しており、例えば回転機構による基板５及びサセプタ４の一回転に要する時間が１秒であれば、１０回の制御動作を行わせることになる。この回転時制御部１７は、表１に示す制御パラメータテーブルを有していて、上位コントローラ１３からの回転時間の指定に基づいて予め設定された偏差フィルタ定数を制御パラメータテーブルから検索し、平準化偏差を求めるようになされている。
【００２０】
【表１】

【００２１】
例えば、回転時間指定が１秒の時は、温度制御間隔を回転時間にあわせて１秒とし、これに対応する偏差フィルタ定数を表１に示す制御パラメータテーブルから検索するが、この場合フィルタ定数０なので完全平準化する。なお、温度サンプリングは０．１秒で逐次行うものとし、１秒間に、１０回の温度サンプリングを行い、完全平準化を行った後、ＰＩＤ演算制御部１６に平準化後の偏差を出力する。
【００２２】
ここで、完全平準化する演算は、目標温度を７００℃とし、
１回目のサンプリング温度＝７０２℃、
２回目のサンプリング温度＝７０４℃、
３回目のサンプリング温度＝７０６℃、
・・・・・
１０回目のサンプリング温度＝７１０℃
とすると、平準化後偏差は次のようにして求められる。
【００２３】

【００２４】
図３は、上述したようにして求められた回転時制御部１７から出力される平準化後偏差の出力変更を示すもので、１秒間に、１０回の温度サンプリングを行い、完全平準化を行って求めた最終平準化後偏差が、次に最終平準化後偏差が求まるまでの温度制御間隔（１秒）の間継続してＰＩＤ演算制御部１６に出力されて、温度制御間隔毎に出力変更されることを示している。
【００２５】
また、例えば、回転時間指定が３秒の時は、温度制御間隔を回転時間にあわせて３秒とし、これに対応する偏差フィルタ定数：７０を表１に示す制御パラメータテーブルから検索し、検索した偏差フィルタ定数を用いて制御する。なお、温度サンプリングは０．１秒で逐次行うものとし、３秒間に、３０回の温度サンプリングを行い、偏差フィルタ定数を用いて平準化を行った後、ＰＩＤ演算制御部１６に平準化後の偏差を出力する。
【００２６】
ここで、偏差フィルタ定数を用いて平準化する演算は、偏差フィルタ＝７０の時、目標温度を７００℃とし、
１回目のサンプリング温度＝７０２℃、
２回目のサンプリング温度＝７０４℃、
３回目のサンプリング温度＝７０６℃、
・・・・・
３０回目のサンプリング温度＝７１０℃
とすると、平準化後偏差は次のようにして求められる。
【００２７】

【００２８】
図４は、上述したようにして求められた回転時制御部１７から出力される平準化後偏差の出力変更を示すもので、３秒間に、３０回の温度サンプリングを行って求めた平準化後偏差が、次に平準化後偏差が求まる間での温度制御間隔（３秒）の間継続してＰＩＤ演算制御部１６に出力されて、温度制御間隔毎に出力変更されることを示している。
【００２９】
ＰＩＤ演算制御部１６は、上述したようにして求められた回転時制御部１７からの平準化偏差に基づいて各ゾーンの制御偏差が０になるように（目標温度と温度測定値が一致するように）上位コントローラ１３から指定されたＰＩＤ定数パラメータを使用してＰＩＤ演算を行い、操作量を求めてゲートパルス生成回路１２ｃに出力し、ゲートパルス生成回路１２ｃは、ＰＩＤ演算制御部１６からの操作量からパルス幅を算出し出力パルス（ゲートパルス）を生成して、ヒータ１〜３の供給電力を制御するサイリスタ１４に出力する。
【００３０】
図５は、前記回転時制御部１７を備えた本発明の制御結果を従来例と比較して示すグラフである。図５において、（ａ）は従来例による回転時の温度グラフ、（ｂ）は本発明による回転時の温度グラフを示し、上から順に、基板５及びサセプタ４の中間部、外周部、中心部の温度をそれぞれ示している。図５に示すように、従来例（ａ）では温度むらが増幅しているのに対し、本発明（ｂ）では温度むらが収束している。
【００３１】
すなわち、温度コントローラ１２の基本的な仕事は、各ゾーンの制御偏差が０になるように（目標温度と温度測定値が一致するように）フィードバック制御（ＰＩＤ制御）を実行することであるが、基板５及びサセプタ４の回転時には、円周上の温度の多点計測となるため、初期状態において温度むらがあると、ＰＩＤ制御によって、図５（ａ）に示すように、この温度むらを逆に増幅してしまうという欠点がある。これに対し、本発明では、回転時制御部１７により平準化偏差を求めることにより、図５（ｂ）に示すように、温度むらが収束している。
【００３２】
通常（未回転時）は、１点計測に対し、１ゾーン制御である為、１点計測地点の温度が安定（定常状態）であっても、円周上の全ての地点が、所望の温度になっているか否か計測できていない。基板５及びサセプタ４を回転させることにより、円周上の全ての地点の温度観測が可能になる反面、１ゾーン制御である為、例えば、目標温度が７００℃であるとすると、円周上のＡ地点６９５℃であれば、−５℃であるから、ヒータパワーをもう少し上げようと判断することになる。
【００３３】
しかし、その時、円周上のＢ地点７０５℃であるなら、ヒータパワーの与えすぎの結果となり、例えば、７１０℃と温度上昇させてしまう結果となる。従来例では、この悪循環が始まると、増幅へと繋がっていた。これに対し、本発明では、回転時制御部１７により平準化偏差を求め、その平準化偏差に基づいてＰＩＤ制御を行うことにより、温度むらを収束させることができ、基板面内の温度ばらつきを逆に増幅させてしまうことなく、基板面内の均一な温度制御が可能になり、ひいては、膜厚均一性を確保し、品質向上に役立つ。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、目標温度と所定のサンプリングより得られる温度測定値との偏差を一定時間平準化して得られる最終的な偏差をＰＩＤ演算制御部に出力する回転時制御部を備えたので、外乱による影響を最小限に抑え、基板面内の温度ばらつきを逆に増幅させてしまうことなく、基板面内の均一な温度制御を可能にすることができる、回転機構を持つ装置に適した加熱炉の温度制御システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態に係る基板処理装置の温度制御システムを示す構成図である。
【図２】 図１の回転時制御部１７による平準化機能を説明する図である。
【図３】 図１の回転時制御部１７から出力される平準化後偏差の出力変更を説明する図である。
【図４】 図１の回転時制御部１７から出力される平準化後偏差の出力変更を説明する図である。
【図５】 図１の回転時制御部１７を備えた本発明の制御結果を従来例と比較して示すグラフである。
【図６】 従来の基板処理装置を説明するためのもので、加熱炉の反応室内のヒータを真上から見た構成図である。
【図７】 従来の基板処理装置の側断面図である。
【図８】 従来例に係る基板処理装置の温度制御システムの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ 中心ヒータ、２ 中間ヒータ、３ 外周ヒータ、４ サセプタ、５ 基板、６ 中心温度センサ、７ 中間温度センサ、８ 外周温度センサ、９ センター放射温度計、１０ ミドル放射温度計、１１ アウター放射温度計、１２ 温度コントローラ、１２ａ 温度コントローラＡＤ部、１２ｂ 温度コントローラ制御部、１２ｃ ゲートパルス生成部、１３ 上位コントローラ、１４ サイリスタ、１５ 加算器、１６ ＰＩＤ演算制御部、１７ 回転時制御部。

Claims (6)

1. 炉内において基板を回転させつつ、目標温度と温度測定値との偏差に基づいて操作量を演算し、ヒータの加熱制御を行う基板処理装置において、
   前記目標温度と所定のサンプリングより得られる温度測定値との偏差を予め設定されている偏差フィルタ定数を用いて一定時間平準化して得られる平準化後偏差に基づいて前記目標温度と前記温度測定値が一致するように前記ヒータの加熱制御を行う温度制御手段を設けたことを特徴とする基板処理装置。
2. 前記温度制御手段は、回転時間に応じて偏差フィルタ定数が設定されている制御パラメータテーブルを有することを特徴とする請求項１記載の基板処理装置。
3. 炉内において基板を回転させつつ、目標温度と温度測定値との偏差に基づいて操作量を出力するＰＩＤ演算制御部を有し、このＰＩＤ演算制御部からの操作量に基づいてヒータへの駆動電力を制御する温度コントローラを備えた基板処理装置において、前記コントローラに、前記基板の回転時間に応じた偏差フィルタ定数が予め設定された制御パラメータテーブルを有し、前記基板の回転時に、回転時間に応じた偏差フィルタ定数を前記制御パラメータテーブルから求めて、当該偏差フィルタ定数に基づいて目標温度と所定のサンプリングにより得られる温度測定値との偏差を一定時間平準化して得られる平準化後偏差を前記ＰＩＤ演算制御部に出力する回転時制御部を備えたことを特徴とする基板処理装置。
4. 前記平準化後偏差は、
   第ｎ回平準化後偏差＝第ｎ−１回平準化後偏差×（１００−偏差フィルタ定数）／１００＋（ｎ回目のサンプリング温度−目標温度）×偏差フィルタ定数／１００
   で与えられることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の基板処理装置。
5. 前記制御パラメータテーブルには、前記一定時間が回転時間に応じて制御間隔として設定されていることを特徴とする請求項３記載の基板処理装置。
6. 前記回転時制御部は、スイッチにより切換えられることを特徴とする請求項３記載の基板処理装置。

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