JP3966490B2

JP3966490B2 - Substrate temperature estimation apparatus and method, and substrate temperature control apparatus using the same

Info

Publication number: JP3966490B2
Application number: JP03743699A
Authority: JP
Inventors: 賢一板東
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1999-02-16
Filing date: 1999-02-16
Publication date: 2007-08-29
Anticipated expiration: 2019-02-16
Also published as: JP2000235944A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造装置における半導体ウェハの加熱・冷却用プレートのように、基板を加熱又は冷却する熱交換プレートにおいて、基板の温度を正確に推定するための装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば半導体製造装置において、半導体ウェハを加熱したり冷却したりするために、加熱用と冷却用に別個の熱交換プレートを設け、その間をロボットによりウェハを搬送させる方式が一般に採用されている。そこでは、各熱交換プレートには大きな熱容量をもって温度変動が少ないものを用い、各プレートの温度を一定に保つという静的な温度制御が行われる。
【０００３】
一方、１枚の熱交換プレートに加熱と冷却の両機能をもたせる方式もある。そこでは、小さな熱容量をもった応答性の高いプレートを用い、それを低温状態から高温状態へ、及びその逆へと動的に操作する制御が必要になる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
後者の方式において、高スループットを実現しつつ製品歩留まりを向上させるためには、ウェハの面内温度分布を非常に小さく抑えた高速・高精度の温度制御性能が要求される。例えば、加熱静定時間が４０秒、冷却静定時間が４０秒でフォトレジストプロセスにおける最小線幅を１５μｍにするために、ウェハ面内温度分布が過渡時に±１℃、定常時に±0.2℃というような高速・高精度の制御の実現が望まれる。
【０００５】
しかし、熱交換プレートの熱容量が小さいために、プレートを収容したチャンバーの温度変化、プレートの熱媒体流体入・出口における非定常熱伝導による放熱或いは吸熱、プレート内部の流体への非定常な放熱などの外乱の影響が大きい。そのため、制御性能が著しく低下し、従来の古典的なＰＩＤ制御で上記のような高い制御性能を実現することは困難である。
【０００６】
この問題を完全に解決するには、制御方法やプレート構造など種々の側面にて改良が必要になるであろうが、その一つの重要な側面に、プレート上のウェハ温度を正確に把握することがある。一般に、温度センサには、接触式のセンサと、光ファイバーセンサのような非接触式のセンサとがある。しかし、処理中のウェハ温度検出に接触式の温度センサを利用することは現実的に困難である。これに対し、非接触式のセンサを利用することは可能であるが、精度が悪く、非常に高価でもある。
【０００７】
従って、本発明は、熱交換プレート上で熱処理される基板の温度を精度良く把握することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の側面に従えば、熱交換プレートの上にエアプロキシミティギャップを介して置かれた基板の温度を推定する基板温度推定装置が提供される。この基板温度推定装置は、熱交換プレートに設けられた温度センサの出力信号を入力して各サンプリング時刻のプレート温度を測定するプレート温度取得手段と、予め作成されたプレート温度と基板温度の関係を示す情報を用いて、測定したプレート温度から基板温度を決定する基板温度決定手段とを備える。
【０００９】
好適な実施形態では、予め作成されたプレート温度と基板温度の状態空間モデルを用いて、プレート温度から基板温度を計算する。
【００１０】
好適な実施形態では、上記状態空間モデルは、基板温度の決定因子として、エアプロキシミティギャップの変動を実質的にランダムに変動する白色雑音として表したエアプロキシミティギャップ因子を含む。
【００１１】
好適な実施形態では、上記状態空間モデルは、各時刻における前記基板温度を、各時刻における状態変数とエアプロキシミティギャップ因子との関数として定義し、且つ、各時刻における状態変数を、前の時刻における状態変数とプレート温度とエアプロキシミティギャップ因子の関数として定義している。
【００１２】
好適な実施形態では、状態空間モデルの次数は５である。
【００１３】
好適な実施形態では、プレート温度取得手段は、基板の異なる箇所にそれぞれ対応した熱交換プレートの異なる場所にそれぞれ配置された複数の温度センサの出力信号を入力して、各サンプリング時刻における異なる場所のプレート温度を測定する。そして、基板温度計算手段は、上記異なる場所のプレート温度の各々から、各場所に対応する基板の異なる箇所の基板温度をそれぞれ計算する。
【００１４】
本発明の第２の側面に従えば、熱交換プレート上にエアプロキシミティギャップを介して置かれた基板の温度を制御する基板温度制御装置が提供される。この基板温度制御装置は、上記熱交換プレートと、この熱交換プレートに設けられた、プレート温度を検出するための温度センサと、この温度センサの出力信号を入力して各サンプリング時刻におけるプレート温度を測定し、予め作成されたプレート温度と基板温度の関係を示す情報を用いて、測定したプレート温度から基板温度を推定する基板温度推定装置と、推定された基板温度を用いて、熱交換プレートの熱処理動作を制御するプレート制御装置とを備える。
【００１５】
好適な実施形態では、熱交換プレートは、その内部の実質的に全域にわたって広がっている冷却水の通る空洞と、この空洞への冷却水の流入口と、この空洞からの冷却水の流出口とを有する。更に、熱交換プレートは、基板の外縁より外側で基板を囲む位置にある第１ゾーンに配置された第１ヒータと、基板の真下に位置する第２ゾーンに配置された第２ヒータと、流出口付近の第３ゾーンに配置された第３ヒータと、流入口付近の第４ゾーンに配置された第４ヒータとを有する。そして、第２ゾーンに第１、第２、第３及び第４の温度センサが配置されており、第１の温度センサは第２ゾーンの第１ゾーンに近接した位置に配置され、第２の温度センサは第２ゾーンの略中央の位置に配置され、第３の温度センサは第２ゾーンの第３ゾーンに近接した位置に配置され、第４の温度センサは第２ゾーンの第４ゾーンに近接した位置に配置されている。基板温度推定装置は、第１、第２、第３及び第４の温度センサからのプレート温度の各々から、第１、第２、第３及び第４の基板温度をそれぞれ推定し、そして、プレート制御装置は、推定された第１、第２、第３及び第４の基板温度の各々を用いて、第１、第２、第３及び第４のヒータの加熱動作をそれぞれ制御する。
【００１６】
本発明の基板温度推定装置やプレート制御装置は典型的にはコンピュータにより実施することができるが、そのためのコンピュータプログラムは、ディスク型ストレージ、半導体メモリおよび通信ネットワークなどの各種の媒体を通じてコンピュータにインストールまたはロードすることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態にかかる半導体ウェハのフォトレジスト工程で用いられる熱交換プレートの平面図である。図２は、この熱交換プレートの図１のＡ−Ａ線に沿った断面図、図３は、この熱交換プレートの図２のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【００１８】
これらの図に示すように、熱交換プレート１は、その上にウェハ２９が載置される円形の板状容器であるプレート本体３と、このプレート本体３の左右の外縁箇所から外方へ張り出した耳形の板状容器であるインレット部５とアウトレット部７とから構成される。図２に示すように、プレート本体３の上面に形成された複数個の小さなボス４１、４３上に半導体ウェハ２９が載置される。半導体ウェハ２９の下面とプレート本体３の上面とは直接接触せず、両者間には極めて狭いエアプロキシミティエアギャップ４５がある。図２、３に示すように、この熱交換プレート１の内部には、冷却液が通る空洞９が形成されており、この空洞９はインレット部５から始まって、プレート本体９の全体領域に広がり、そしてアウトレット部７で終わる。インレット部５底壁には、空洞９へ冷却水を流入させる流入口１１が形成され、アウトレット部７の底壁には、空洞９から冷却水を流出させる流出口１３が形成されている。空洞９内には、その全域にわたって、多数の柱状又はピン状のリブ１５が、底壁と上壁を繋いで立てられている。これらのリブ１５は、プレート１の強度を高めて冷却水圧によるプレート１の膨らみを防止し、かつ、冷却水流を乱して温度分布の均一化及び冷却水とプレート１間の熱交換効率の向上に寄与する。
【００１９】
図１に示すように、熱交換プレート１の上面には、フォイルヒータ（箔状のパターン配線された電熱線ヒータ）２１Ａ，２３Ａ，２５Ａ，２７Ａが貼り付けられている。図１と図３を対比すると判るように、フォイルヒータ２１Ａ，２３Ａ，２５Ａ，２７Ａは、空洞９が存在する領域を完全にカバーしている。図２から判るように、熱交換プレート１の下面にも、上面のフォイルヒータ２１Ａ，２３Ａ，２５Ａ，２７Ａと略同形状のフォイルヒータ２１Ｂ，２３Ｂ，２５Ｂ，２７Ｂが略同位置に貼り付けられており、上面のフォイルヒータ２１Ａ，２３Ａ，２５Ａ，２７Ａと下面のフォイルヒータ２１Ｂ，２３Ｂ，２５Ｂ，２７Ｂとがこの熱交換プレート１において上下対称の熱バランスを形成するようになっている。
【００２０】
図１に示すように、熱交換プレート１の上面は、互いに独立した電気回路である４枚のフォイルヒータ２１Ａ，２３Ａ，２５Ａ，２７Ａで覆われている。第１のフォイルヒー１タ２１Ａが覆う領域は、プレート本体３の上面のうち、その上に置かれた半導体ウェハ２９の外縁より外側に位置するドーナツ形の領域であり、これを「第１ゾーン」という。第２のフォイルヒータ２３Ａが覆う領域は、プレート本体３の上面のうち、その上に置かれた半導体ウェハ２９の真下に位置する円形の領域であり、これを「第２ゾーン」という。第３のフォイルヒータ２５Ａが覆う領域は、アウトレット部７の冷却液が通る領域を覆う領域であり、これを「第３ゾーン」という。第４のフォイルヒータ２７Ａが覆う領域は、インレット部７の冷却液が通る領域を覆う領域であり、これを「第４ゾーン」という。各フォイルヒータ２１Ａ，２３Ａ，２５Ａ，２７Ａからは、それを夫々のヒータ電源回路（図４参照番号５７）に接続するためのリード２１Ｃ，２１Ｄ，２３Ｃ，２３Ｄ，２５Ｃ，２５Ｄ，２７Ｃ，２７Ｄが外方へ出ている。プレート１の下面についても、上記した上面と同様である（以下、上面のみ説明し、下面の説明は省略する）。
【００２１】
このように、熱交換プレート１の上面は４つのゾーンに分けられ、各ゾーンが、それそれ独立して制御可能なヒータによって、それぞれ独立して温度制御できるようになっている。これは、プレートに不均一な熱容量又は伝熱特性が存在する場合には、熱容量又は伝熱特性の互いに異なる各部分を独立して温度制御するという考えに基づくものである。すなわち、この実施形態では、プレート本体３のウェハ外側の部分、つまり次に述べる第２ゾーンを取り囲むドーナツ形の部分（第１ゾーン）と、プレート本体３のウェハ真下に位置する部分、つまりウェハ２９の下面とエアプロキシミティギャップ４５を介して対向する円形の部分（第２ゾーン）と、冷却水流出口付近つまりアウトレット部７の部分（第３ゾーン）と、冷却水流入口付近つまりインレット部５の部分（第４ゾーン）という、４つの熱容量又は伝熱特性の異なる部分に熱交換プレート１を分け、夫々の部分を独立して温度制御できるようになっていいる。
【００２２】
尚、第２ゾーンを担当する第２フォイルヒータ２３Ａのリード２３Ｃ，２３Ｄは、インレット部５に最も近い位置から第１ゾーンを横切って外方へ引き出されている。そして、第４フォイルヒータ２７Ａは、インレット部５つまり第４ゾーンの温度補償だけでなく、第２ゾーンからのリード２３Ｃ，２３Ｄが通る箇所の温度補償も行う目的で、リード２３Ｃ，２３Ｄに沿ってインレット部５から三角形状に伸び出て、第１ゾーンを貫き第２ゾーンの外縁に達している。
【００２３】
プレート本体３の内部には、複数個の接触型の温度センサ３１、３３、３５、３７が配置されている。各温度センサ３１、３３、３５、３７は、例えば感熱抵抗体素子であり、例えば空洞９内のいずれかの柱状リブ１５の内部に埋め込まれている。これらの温度センサ３１、３３、３５、３７は全て第２ゾーンつまり半導体ウェハ２９の真下の位置、別の言い方をすれば、プレート本体１のうちウェハ２９に対してエアプロキシミティギャップ４５を介して対向する部分（ウェハ２９の温度制御を実質的直接に関与する部分）に配置されている。そして、各温度センサ３１、３３、３５、３７は、第２ゾーンの中で第１〜第４の各ゾーンの温度の影響が実質的最も良好に（又は、比較的に良好に）現われる場所、換言すれば、半導体ウェハ２９の温度に第１〜第４の各ゾーンの温度が実質的最も良好に（又は、比較的に良好に）影響する場所にそれぞれ配置されている。すなわち、第１の温度センサ３１は、ウェハ温度に第１ゾーンの温度が実質的最も良好に（又は、比較的に良好に）影響する場所、つまり、第２ゾーンの中で第１ゾーンに近接した場所（又は、第２ゾーンの熱的中心又は幾何学的中心よりも第１ゾーン側へ寄った場所）に配置されている。第２の温度センサ３３は、ウェハ温度に第２ゾーンの温度が実質的最も良好に（又は、比較的に良好に）影響する場所、換言すれば、第２ゾーン以外のゾーンの温度の影響が最も現われにくい場所、つまり、第２ゾーンの熱的中心又は幾何学的中心又はそれら中心の近傍に配置されている。第３の温度センサ３５は、ウェハ温度に第３ゾーン（アウトレット部７）の温度が実質的最も良好に（又は、比較的に良好に）影響する場所、つまり、第２ゾーンの中で第３ゾーンに近接した場所（又は、第２ゾーンの熱的中心又は幾何学的中心よりも第３ゾーン側へ寄った場所）に配置されている。第４の温度センサ３７は、ウェハ温度に第４ゾーン（インレット部５）の温度の影響が実質的最も良好に（又は、比較的に良好に）現われる場所、つまり、第２ゾーンの中で第４ゾーンに近接した場所（又は、第２ゾーンの熱的中心又は幾何学的中心よりも第４ゾーン側へ寄った場所）に配置されている。このように、第１〜第４の各ゾーンに対応して別個の温度センサが設けられている。尚、この実施形態では１ゾーンに対応して１個の温度センサを設けているが、１ゾーンに対応して２個以上の温度センサを設けることもできる。
【００２４】
このような構成の熱交換プレート１を用いて、その上に置かれた半導体ウェハ１９の温度を制御する場合、基本的に、冷却目標温度よりも低い温度に設定された冷却水をプレート１に流すことと、フォイルヒータ２１Ａ，２３Ａ，２５Ａ，２７Ａ，２１Ｂ，２３Ｂ，２５Ｂ，２７Ｂで加熱することとにより、半導体ウェハ２９の温度を目標温度に制御する。その際、プレート１内に埋め込んだ温度センサ３１〜３７がそれそれ検出する各場所のプレート温度から、計算により各場所のウェハ温度を推定し、この各場所の推定ウェハ温度が目標温度に一致するように、各場所に対応したゾーンを担当する各フォイルヒータ２１Ａ，２３Ａ，２５Ａ，２７Ａ，２１Ｂ，２３Ｂ，２５Ｂ，２７Ｂへの供給電力を調節する。
【００２５】
図４は、このような制御を行うための制御システムの構成を示す。なお、図４に示したものは、制御システムの中の１つのゾーンに対応する部分だけである。
【００２６】
図４に示すように、ある１つのゾーンに対応した温度センサ５１（例えば、第１ゾーンであれば温度センサ３１）の出力信号を、ウェハ温度推定部５３が、所定の十分に短いサンプリング時間間隔で取り込んで各時刻のプレート温度を把握する。ウェハ温度推定部５３は、過去から現在までのプレート温度に基づいて計算により現在のウェハ温度を推定する。ウェハ温度推定部５３は、この推定作業を上記サンプリング時間間隔で繰り返す。ヒータ制御部５５は、ウェハ温度推定部５３が推定した現在のウェハ温度を取り込んで、これが目標温度になるようにヒータ電源回路５７に対してその出力電力を操作するための操作信号を出力する。ヒータ制御部５５は、この動作を上記サンプリング時間間隔で繰り返す。ヒータ電源回路５７は、ヒータ制御部５５からの操作信号に従って制御された電力を当該ゾーンを担当するフォイルヒータ５９（例えば、第１ゾーンであれば第１ゾーンの上面と下面のフォイルヒータ２１Ａ，２１Ｂ）に供給する。
【００２７】
ウェハ温度推定部５３とヒータ制御部５５は、それそれ、コンピュータ６１のタスクとして実現することもできるし、専用ハードウェア回路で実現することもできる。熱交換プレート１には上述した通り４つのゾーンがあるから、図４に示した制御システムが４つ並列に存在する。これら４つの制御システムのウェハ温度推定部５３とヒータ制御部５５は、１台のコンピュータ６１によるマルチタスク処理で実現されてもよいし、別個のコンピュータによる個別処理又は分散処理で実現されてもよいし、別個の専用ハードウェ回路として実現されてもよいし、それらの組み合わせでもよい。
【００２８】
ウェハ温度推定部５３は、プレート温度（入力）とウェハ温度（出力）の状態空間モデルを用いて、温度センサの検出したプレート温度からウェハ温度を推定する。この状態空間モデルは、設計段階で予め行われた熱交換プレート１のプレート温度とウェハ温度の実測結果に基づき、システム同定理論により作成されたものである。この状態空間モデルは、例えば下記の式セットで表される。
【００２９】
【数１】

ここに、ｔはサンプリング時刻、ｔ+１は次のサンプリング時刻である。ｕ（ｔ）はプレート温度、ｙ（ｔ）はウェハ温度である。また、ｅ（ｔ）は、主としてウェハ２９とプレート１間のエアプロキシミティギャップ４５（図２参照）の変動に起因するウェハ温度の決定因子である。また、ｘ（ｔ）は状態変数である。Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは上記実測結果に基づいて決定された係数（スカラー、ベクトル又はテンソル）である。
【００３０】
上記（１）式に示すように、各時刻の状態変数ｘ（ｔ+１）は、前の時刻の状態変数ｘ（ｔ）とプレート温度ｕ（ｔ）とエアプロキシミティギャップ因子ｅ（ｔ）の関数（例えば、線形一次関数）として定義される。上記（２）式に示すように、各時刻のウェハ温度ｙ（ｔ）は、同じ時刻の状態変数ｘ（ｔ）とプレート温度ｕ（ｔ）とエアプロキシミティギャップ因子ｅ（ｔ）の関数（例えば、線形一次関数）として定義される。尚、係数Ｄの値ｄは０に設定することができる（つまり、各時刻のウェハ温度ｙ（ｔ）は、過去のプレート温度に影響されるが、同じ時刻のプレート温度ｕ（ｔ）には影響されないよう定義することができる）。
【００３１】
なお、上記エアプロキシミティギャップ因子ｅ（ｔ）は、熱処理中のウェハ２９及びプレート１の熱変形、並びに熱処理前後のウェハ２９のウェハ昇降などによって非線形に、実質的にランダムに変動する要素であり、これは上記実測結果からＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄなどの係数を決めて暫定的なモデルを構築した後に、この暫定的モデルを用いて推定したウェハ温度と、ウェハ温度の実測結果との間の誤差から計算される。よって、このエアプロキシミティギャップ因子ｅ（ｔ）には、エアプロキシミティギャップ４５の変動だけでなく、チャンバ温度変動や電源電圧の変動など、実質的にランダムに変動する諸々の要素が含まれており、これは実質的に白色雑音である。
【００３２】
発明者らのシミュレーションによれば、状態空間モデルは上に例示したような５次の場合がもっとも適合が良かった。ウェハ温度推定部５３は、４次のルンゲ・クッタ法を用いて計算を行うことができる。
【００３３】
上記状態空間モデルを用いることにより、精度良くウェハ温度を推定することができる。また、このモデルは、エアプロキシミティギャップ４５などの実質的にランダムに変動要素つまり白色雑音要素を考慮に入れており、この点も推定精度の向上に寄与する。このように高精度に推定したウェハ各部の温度を用いて、そのウェハ各部の温度に影響を及ぼすプレート部分（ゾーン）の温度を独立に制御することにより、ウェハ全体を精度良く目標温度に制御することが可能となる。
【００３４】
以上、本発明の一実施形態を説明したが、上記の実施形態はあくまで本発明の説明のための例示であり、本発明を上記実施形態にのみ限定する趣旨ではない。従って、本発明は、上記実施形態以外の様々な形態でも実施することができるものである。例えば、プレート温度からウェハ温度を推定する場合に、上述の式セットで定義した状態空間モデルを用いる必要は必ずしもなく、別の式セットで定義した状態空間モデル、例えば、ｕ（ｔ）をプレート温度、フォイルヒータの電力操作量（加熱時の動的歪に相当する）、及びウェハ昇降用のステッピングモータのステップ数を要素として含んだベクトルとし、ｅ（ｔ）を残りの雑音とした状態空間モデルな度を用いることもできる。更に、状態空間モデルではなく、例えば、統計的なデータから割り出したプレート温度とウェハ温度の関係式又はプレート温度とウェハ温度の対応テーブルや、理論的な解析により割り出したプレート温度とウェハ温度の理論的な関係式などを用いて、プレート温度からウェハ温度を推定するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる半導体ウェハのフォトレジスト工程で用いられる熱交換プレートの平面図。
【図２】熱交換プレートの図１のＡ−Ａ線に沿った断面図。
【図３】熱交換プレートの図２のＢ−Ｂ線に沿った断面図。
【図４】制御システムの１ゾーンに対応する部分を示すブロック図。
【符号の説明】
１熱交換プレート
３プレート本体
５インレット部
７アウトレット部
２９半導体ウェハ
２１、２３、２５、２７、５９フォイルヒータ
３１．３３、３５、５１温度センサ
４５エアプロキシミティギャップ
５３ウェハ温度推定部
５５ヒータ制御部
５７ヒータ電源回路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an apparatus and method for accurately estimating the temperature of a substrate in a heat exchange plate that heats or cools the substrate, such as a plate for heating / cooling a semiconductor wafer in a semiconductor manufacturing apparatus.
[0002]
[Prior art]
For example, in a semiconductor manufacturing apparatus, in order to heat or cool a semiconductor wafer, a system in which separate heat exchange plates are provided for heating and cooling and the wafer is conveyed by a robot between them is generally employed. In this case, static heat control is performed such that each heat exchange plate has a large heat capacity and little temperature fluctuation, and the temperature of each plate is kept constant.
[0003]
On the other hand, there is a method in which one heat exchange plate has both heating and cooling functions. In this case, it is necessary to use a highly responsive plate having a small heat capacity and to dynamically operate the plate from a low temperature state to a high temperature state and vice versa.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the latter method, in order to improve the product yield while realizing high throughput, high-speed and high-accuracy temperature control performance with a very small in-plane temperature distribution of the wafer is required. For example, in order to set the minimum line width in the photoresist process to 15 μm with a heating settling time of 40 seconds and a cooling settling time of 40 seconds, the wafer surface temperature distribution is ± 1 ° C. during transition and ± 0.2 ° C. during steady state. Realization of such high-speed and high-precision control is desired.
[0005]
However, because the heat capacity of the heat exchange plate is small, the temperature of the chamber that contains the plate, heat dissipation or heat absorption due to unsteady heat conduction at the inlet / outlet of the heat medium fluid of the plate, unsteady heat dissipation to the fluid inside the plate, etc. The influence of the disturbance is great. Therefore, the control performance is remarkably deteriorated, and it is difficult to realize the high control performance as described above by the conventional classic PID control.
[0006]
To completely solve this problem, various aspects such as control method and plate structure will need to be improved. One important aspect is to accurately grasp the wafer temperature on the plate. There is. Generally, the temperature sensor includes a contact type sensor and a non-contact type sensor such as an optical fiber sensor. However, it is practically difficult to use a contact temperature sensor for wafer temperature detection during processing. On the other hand, it is possible to use a non-contact type sensor, but the accuracy is poor and it is very expensive.
[0007]
Therefore, the present invention is to accurately grasp the temperature of the substrate to be heat-treated on the heat exchange plate.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention, there is provided a substrate temperature estimation device for estimating a temperature of a substrate placed on a heat exchange plate via an air proximity gap. This substrate temperature estimation device inputs the output signal of the temperature sensor provided on the heat exchange plate and measures the plate temperature at each sampling time, and the relationship between the previously prepared plate temperature and the substrate temperature. Substrate temperature determining means for determining the substrate temperature from the measured plate temperature using the information shown.
[0009]
In a preferred embodiment, the substrate temperature is calculated from the plate temperature using a state space model of the plate temperature and the substrate temperature created in advance.
[0010]
In a preferred embodiment, the state space model includes an air proximity gap factor representing the variation of the air proximity gap as white noise that varies substantially randomly as a determinant of the substrate temperature.
[0011]
In a preferred embodiment, the state space model defines the substrate temperature at each time as a function of a state variable at each time and an air proximity gap factor, and the state variable at each time is defined as a previous time. Is defined as a function of state variables, plate temperature and air proximity gap factor.
[0012]
In the preferred embodiment, the order of the state space model is five.
[0013]
In a preferred embodiment, the plate temperature acquisition means inputs the output signals of a plurality of temperature sensors respectively arranged at different locations of the heat exchange plate corresponding to different locations of the substrate, so that the different locations at each sampling time are input. Measure plate temperature. Then, the substrate temperature calculation means calculates the substrate temperature at different locations of the substrate corresponding to each location from each of the plate temperatures at different locations.
[0014]
According to a second aspect of the present invention, there is provided a substrate temperature control device for controlling the temperature of a substrate placed on a heat exchange plate via an air proximity gap. The substrate temperature control device includes the heat exchange plate, a temperature sensor provided on the heat exchange plate for detecting the plate temperature, and an output signal of the temperature sensor to input a plate temperature at each sampling time. The substrate temperature estimation device that estimates the substrate temperature from the measured plate temperature using the information indicating the relationship between the plate temperature and the substrate temperature that has been measured in advance, and the estimated substrate temperature, A plate control device for controlling the heat treatment operation.
[0015]
In a preferred embodiment, the heat exchange plate comprises a cavity through which cooling water extends substantially throughout the interior thereof, a cooling water inlet to the cavity, and a cooling water outlet from the cavity. Have Further, the heat exchange plate includes a first heater disposed in a first zone located at a position surrounding the substrate outside the outer edge of the substrate, a second heater disposed in a second zone located directly below the substrate, It has the 3rd heater arrange | positioned at the 3rd zone near an exit, and the 4th heater arrange | positioned at the 4th zone near an inflow port. The first, second, third and fourth temperature sensors are arranged in the second zone, and the first temperature sensor is arranged at a position close to the first zone in the second zone, The temperature sensor is disposed at a substantially central position of the second zone, the third temperature sensor is disposed at a position close to the third zone of the second zone, and the fourth temperature sensor is disposed in the fourth zone of the second zone. It is arranged at a close position. The substrate temperature estimating device estimates the first, second, third, and fourth substrate temperatures from the plate temperatures from the first, second, third, and fourth temperature sensors, respectively, and the plate The control device controls the heating operation of the first, second, third, and fourth heaters using each of the estimated first, second, third, and fourth substrate temperatures.
[0016]
The substrate temperature estimation apparatus and the plate control apparatus of the present invention can be typically implemented by a computer, and a computer program therefor is installed in the computer through various media such as a disk storage, a semiconductor memory, and a communication network. Can be loaded.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a plan view of a heat exchange plate used in a semiconductor wafer photoresist process according to an embodiment of the present invention. 2 is a cross-sectional view of the heat exchange plate taken along line AA in FIG. 1, and FIG. 3 is a cross-sectional view of the heat exchange plate taken along line BB in FIG.
[0018]
As shown in these drawings, the heat exchanging plate 1 includes a plate main body 3 which is a circular plate container on which a wafer 29 is placed, and the plate main body 3 protrudes outward from left and right outer edge portions. It is comprised from the inlet part 5 and the outlet part 7 which are the ear-shaped plate-shaped containers. As shown in FIG. 2, the semiconductor wafer 29 is placed on a plurality of

small bosses

41 and 43 formed on the upper surface of the plate body 3. The lower surface of the semiconductor wafer 29 and the upper surface of the plate body 3 are not in direct contact, and there is an extremely narrow air proximity air gap 45 between them. As shown in FIGS. 2 and 3, a cavity 9 through which the cooling liquid passes is formed inside the heat exchange plate 1, and the cavity 9 starts from the inlet portion 5 and extends to the entire area of the plate body 9. And ends at the outlet section 7. An inlet 11 through which cooling water flows into the cavity 9 is formed in the bottom wall of the inlet portion 5, and an outlet 13 through which cooling water flows out of the cavity 9 is formed at the bottom wall of the outlet portion 7. In the cavity 9, a large number of columnar or pin-like ribs 15 are erected across the entire region, connecting the bottom wall and the top wall. These ribs 15 increase the strength of the plate 1 to prevent the plate 1 from swelling due to the cooling water pressure, and disturb the cooling water flow to make the temperature distribution uniform and improve the heat exchange efficiency between the cooling water and the plate 1. Contribute to.
[0019]
As shown in FIG. 1, foil heaters (heated wire heaters with foil-like pattern wiring) 21 A, 23 A, 25 A, 27 A are attached to the upper surface of the heat exchange plate 1. As can be seen by comparing FIG. 1 and FIG. 3, the foil heaters 21 A, 23 A, 25 A, 27 A completely cover the region where the cavity 9 exists. As can be seen from FIG. 2, foil

heaters

21B, 23B, 25B, and 27B having substantially the same shape as the

foil heaters

21A, 23A, 25A, and 27A on the upper surface are also attached to the lower surface of the heat exchange plate 1 at substantially the same positions. The upper and

lower foil heaters

21A, 23A, 25A, and 27A and the

lower foil heaters

21B, 23B, 25B, and 27B form a symmetrical heat balance in the heat exchange plate 1.
[0020]
As shown in FIG. 1, the upper surface of the heat exchange plate 1 is covered with four

foil heaters

21A, 23A, 25A, and 27A, which are electric circuits independent of each other. The area covered by the first foil heater 21 A is a donut-shaped area located outside the outer edge of the semiconductor wafer 29 placed on the upper surface of the plate body 3, which is referred to as a “first zone”. That's it. The area covered by the second foil heater 23 A is a circular area located directly below the semiconductor wafer 29 placed on the upper surface of the plate body 3, which is referred to as a “second zone”. The region covered by the third foil heater 25A is a region covering the region through which the coolant of the outlet portion 7 passes, and this is referred to as a “third zone”. The region covered by the fourth foil heater 27A is a region covering the region through which the coolant of the inlet portion 7 passes, and this is referred to as a “fourth zone”. Leads 21C, 21D, 23C, 23D, 25C, 25D, 27C, and 27D for connecting the

foil heaters

21A, 23A, 25A, and 27A to the respective heater power supply circuits (reference numeral 57 in FIG. 4) are externally provided. It has gone out. The lower surface of the plate 1 is also the same as the upper surface described above (hereinafter, only the upper surface will be described, and the description of the lower surface will be omitted).
[0021]
In this way, the upper surface of the heat exchange plate 1 is divided into four zones, and each zone can be independently temperature controlled by a heater that can be independently controlled. This is based on the idea that, if the plate has non-uniform heat capacity or heat transfer characteristics, temperature control is performed independently for each of the different parts of the heat capacity or heat transfer characteristics. That is, in this embodiment, a portion outside the wafer of the plate body 3, that is, a donut-shaped portion (first zone) surrounding the second zone described below, and a portion located directly below the wafer of the plate body 3, that is, the wafer 29. A circular portion (second zone) that faces the lower surface of air through the air proximity gap 45, the vicinity of the cooling water outlet, that is, the outlet portion 7 (third zone), and the vicinity of the cooling water inlet, that is, the inlet portion 5 The heat exchange plate 1 is divided into four portions having different heat capacities or heat transfer characteristics (fourth zone), and the temperature of each portion can be controlled independently.
[0022]
Note that the

leads

23C and 23D of the second foil heater 23A in charge of the second zone are drawn outward from the position closest to the inlet portion 5 across the first zone. The fourth foil heater 27A is not only for temperature compensation of the inlet portion 5, that is, the fourth zone, but also for temperature compensation at the location where the

leads

23C and 23D from the second zone pass along the

leads

23C and 23D. It extends in a triangular shape from the inlet portion 5, passes through the first zone, and reaches the outer edge of the second zone.
[0023]
A plurality of contact-

type temperature sensors

31, 33, 35, and 37 are disposed inside the plate body 3. Each of the

temperature sensors

31, 33, 35, and 37 is, for example, a thermal resistor element, and is embedded in one of the columnar ribs 15 in the cavity 9, for example. These

temperature sensors

31, 33, 35, and 37 are all located in the second zone, that is, the position directly below the semiconductor wafer 29, or in other words, through the air proximity gap 45 to the wafer 29 in the plate body 1. It is arranged in an opposing portion (a portion that is directly involved in temperature control of the wafer 29). And each

temperature sensor

31, 33, 35, 37 is the place where the influence of the temperature of each of the first to fourth zones appears substantially best (or relatively well) in the second zone, In other words, the semiconductor wafer 29 is disposed at a place where the temperature of each of the first to fourth zones substantially substantially best (or relatively well) affects the temperature of the semiconductor wafer 29. That is, the first temperature sensor 31 is close to the first zone in the second zone where the temperature of the first zone has a substantially best (or relatively good) influence on the wafer temperature. (Or a location closer to the first zone than the thermal center or geometric center of the second zone). The second temperature sensor 33 has a place where the temperature of the second zone influences the wafer temperature substantially best (or relatively well), in other words, the influence of the temperature of zones other than the second zone. It is located at the least likely location, ie, at or near the thermal center or geometric center of the second zone. The third temperature sensor 35 is a place where the temperature of the third zone (outlet portion 7) substantially influences the wafer temperature substantially best (or relatively well), that is, in the second zone. It is disposed at a location close to the zone (or a location closer to the third zone than the thermal center or geometric center of the second zone). The fourth temperature sensor 37 is a place where the influence of the temperature of the fourth zone (inlet portion 5) appears on the wafer temperature substantially best (or relatively well), that is, in the second zone. It is arranged at a location close to the fourth zone (or a location closer to the fourth zone than the thermal center or geometric center of the second zone). Thus, separate temperature sensors are provided corresponding to the first to fourth zones. In this embodiment, one temperature sensor is provided corresponding to one zone, but two or more temperature sensors may be provided corresponding to one zone.
[0024]
When the temperature of the semiconductor wafer 19 placed thereon is controlled using the heat exchange plate 1 having such a configuration, basically, cooling water set to a temperature lower than the cooling target temperature is applied to the plate 1. The temperature of the semiconductor wafer 29 is controlled to the target temperature by flowing and heating with the

foil heaters

21A, 23A, 25A, 27A, 21B, 23B, 25B, and 27B. At this time, the wafer temperature at each location is estimated by calculation from the plate temperature at each location detected by the temperature sensors 31 to 37 embedded in the plate 1, and the estimated wafer temperature at each location matches the target temperature. In this way, the power supplied to each of the

foil heaters

21A, 23A, 25A, 27A, 21B, 23B, 25B, and 27B in charge of the zone corresponding to each location is adjusted.
[0025]
FIG. 4 shows the configuration of a control system for performing such control. In addition, what was shown in FIG. 4 is only the part corresponding to one zone in a control system.
[0026]
As shown in FIG. 4, an output signal of a temperature sensor 51 corresponding to a certain zone (for example, the temperature sensor 31 in the case of the first zone) is output by the wafer temperature estimation unit 53 at a predetermined sufficiently short sampling time interval. To capture the plate temperature at each time. The wafer temperature estimation unit 53 estimates the current wafer temperature by calculation based on the plate temperature from the past to the present. The wafer temperature estimation unit 53 repeats this estimation work at the sampling time interval. The heater control unit 55 takes in the current wafer temperature estimated by the wafer temperature estimation unit 53 and outputs an operation signal for operating the output power to the heater power supply circuit 57 so that this becomes the target temperature. The heater control unit 55 repeats this operation at the sampling time interval. The heater power supply circuit 57 is a foil heater 59 that takes charge of the power controlled according to the operation signal from the heater control unit 55 (for example, in the case of the first zone, the

foil heaters

21A and 21B on the upper and lower surfaces of the first zone). ).
[0027]
The wafer temperature estimation unit 53 and the heater control unit 55 can be realized as tasks of the computer 61, respectively, or can be realized by a dedicated hardware circuit. Since the heat exchange plate 1 has four zones as described above, the four control systems shown in FIG. 4 exist in parallel. The wafer temperature estimation unit 53 and the heater control unit 55 of these four control systems may be realized by multitask processing by one computer 61, or may be realized by individual processing or distributed processing by separate computers. Alternatively, it may be realized as a separate dedicated hardware circuit, or a combination thereof.
[0028]
The wafer temperature estimation unit 53 estimates the wafer temperature from the plate temperature detected by the temperature sensor using the state space model of the plate temperature (input) and the wafer temperature (output). This state space model is created by the system identification theory based on the actual measurement results of the plate temperature and wafer temperature of the heat exchange plate 1 previously performed at the design stage. This state space model is represented by the following equation set, for example.
[0029]
[Expression 1]

Here, t is the sampling time, and t + 1 is the next sampling time. u (t) is the plate temperature and y (t) is the wafer temperature. Further, e (t) is a determinant of the wafer temperature mainly due to the fluctuation of the air proximity gap 45 (see FIG. 2) between the wafer 29 and the plate 1. X (t) is a state variable. A, B, C, and D are coefficients (scalar, vector, or tensor) determined based on the actual measurement result.
[0030]
As shown in the above equation (1), the state variable x (t + 1) at each time includes the state variable x (t) at the previous time, the plate temperature u (t), and the air proximity gap factor e (t). (For example, linear linear function). As shown in the above equation (2), the wafer temperature y (t) at each time is a function of the state variable x (t), the plate temperature u (t), and the air proximity gap factor e (t) at the same time ( For example, it is defined as a linear linear function. The value d of the coefficient D can be set to 0 (that is, the wafer temperature y (t) at each time is affected by the past plate temperature, but the plate temperature u (t) at the same time is Can be defined to be unaffected).
[0031]
The air proximity gap factor e (t) is an element that varies in a non-linear and substantially random manner due to the thermal deformation of the wafer 29 and the plate 1 during the heat treatment, and the wafer 29 moving up and down before and after the heat treatment. This is because, after determining a coefficient such as A, B, C, and D from the actual measurement result and constructing a provisional model, between the wafer temperature estimated using the provisional model and the measurement result of the wafer temperature. Is calculated from the error. Therefore, the air proximity gap factor e (t) includes not only fluctuations in the air proximity gap 45 but also various elements that vary substantially randomly, such as fluctuations in the chamber temperature and fluctuations in the power supply voltage. This is essentially white noise.
[0032]
According to the simulations of the inventors, the state space model was best fitted in the fifth order case as exemplified above. The wafer temperature estimation unit 53 can perform calculation using a fourth-order Runge-Kutta method.
[0033]
By using the state space model, the wafer temperature can be estimated with high accuracy. In addition, this model takes into account a variation factor, that is, a white noise factor, such as the air proximity gap 45, at random, which also contributes to improvement in estimation accuracy. Using the temperature of each part of the wafer estimated with high accuracy in this way, the temperature of the plate part (zone) that affects the temperature of each part of the wafer is independently controlled, so that the entire wafer is accurately controlled to the target temperature. It becomes possible.
[0034]
Although one embodiment of the present invention has been described above, the above embodiment is merely an example for explaining the present invention, and is not intended to limit the present invention only to the above embodiment. Therefore, the present invention can be implemented in various forms other than the above-described embodiment. For example, when estimating the wafer temperature from the plate temperature, it is not always necessary to use the state space model defined by the above equation set, and the state space model defined by another equation set, for example, u (t) is used as the plate temperature. , A state space model in which the electric power manipulated variable of the foil heater (corresponding to dynamic strain at the time of heating) and the number of steps of the stepping motor for raising and lowering the wafer are vectors, and e (t) is the remaining noise Any degree can be used. Furthermore, instead of a state space model, for example, a relational expression between plate temperature and wafer temperature calculated from statistical data or a correspondence table between plate temperature and wafer temperature, or a theory of plate temperature and wafer temperature calculated by theoretical analysis. The wafer temperature may be estimated from the plate temperature using a general relational expression.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view of a heat exchange plate used in a photoresist process of a semiconductor wafer according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of the heat exchange plate taken along the line AA in FIG.
3 is a cross-sectional view of the heat exchange plate taken along line BB in FIG.
FIG. 4 is a block diagram showing a portion corresponding to one zone of the control system.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Heat exchange plate 3 Plate body 5 Inlet part 7 Outlet part 29 Semiconductor wafer 21, 23, 25, 27, 59 Foil heater 31.33, 35, 51 Temperature sensor 45 Air proximity gap 53 Wafer temperature estimation part 55 Heater control part 57 Heater power circuit

Claims

Estimating the temperature of a substrate placed on a heat exchange plate through an air proximity gap and heat treated by the heat exchange plate,
Plate temperature acquisition means for measuring the plate temperature at each sampling time by inputting an output signal of a temperature sensor provided in the heat exchange plate;
A substrate temperature determining means for calculating a substrate temperature from the measured plate temperature using a state space model of a plate temperature and a substrate temperature prepared in advance ;
With
The state space model has the substrate temperature at each time as a function of a state variable at each time and an air proximity gap factor that is a determinant of the substrate temperature due to fluctuations in the air proximity gap at each time. A substrate temperature estimation device that defines and defines the state variable at each time as a function of the state variable, the plate temperature, and the air proximity gap factor at a previous time .

The air proximity gap factor, substrate temperature estimating apparatus substantially according to claim 1, which is a white noise varying randomly.

A method for estimating a temperature of a substrate placed on a heat exchange plate through an air proximity gap and heat-treated by the heat exchange plate,
Measuring the plate temperature at each sampling time by inputting an output signal of a temperature sensor provided in the heat exchange plate;
Calculating a substrate temperature from the measured plate temperature using a state space model of a plate temperature and a substrate temperature prepared in advance ;
With
The state space model has the substrate temperature at each time as a function of a state variable at each time and an air proximity gap factor that is a determinant of the substrate temperature due to fluctuations in the air proximity gap at each time. defined, and the state variables, the state variables and the plate temperature and the substrate temperature estimating method is defined as a function of air proximity gap factor in the previous time at each time.

A computer-readable recording medium carrying a program for causing a computer to execute a method for estimating a temperature of a substrate placed on a heat exchange plate through an air proximity gap and heat-treated by the heat exchange plate There,
The method
Measuring the plate temperature at each sampling time by inputting an output signal of a temperature sensor provided in the heat exchange plate;
Calculating a substrate temperature from the measured plate temperature using a state space model of a plate temperature and a substrate temperature prepared in advance ;
With
The state space model has the substrate temperature at each time as a function of a state variable at each time and an air proximity gap factor that is a determinant of the substrate temperature due to fluctuations in the air proximity gap at each time. Defining the state variable at each time as a function of the state variable at the previous time, the plate temperature, and the air proximity gap factor for executing the substrate temperature estimation method Computer-readable recording medium.

A heat exchange plate for heat treating the substrate placed through the air proximity gap;
A temperature sensor for detecting a plate temperature provided in the heat exchange plate;
A plate temperature acquisition means for measuring the enter plate temperature of each sampling time the output signal of the temperature sensor provided in the heat exchange plate, using the state space model of the plate temperature and the substrate temperature previously created, the Substrate temperature determining means for calculating a substrate temperature from the measured plate temperature, and the state space model includes the substrate temperature at each time, the state variable at each time, and the fluctuation of the air proximity gap at each time. defined as a function of the air proximity gap factor is a determinant of the substrate temperature that attributable to, and, the air proximity gap the state variables at each time, and the state variable at the previous time and the plate temperature A substrate temperature estimator defined as a function of the factor ;
A plate control device for controlling a heat treatment operation of the heat exchange plate using the calculated substrate temperature;
A substrate temperature control device comprising:

A heat exchange plate for heat treating the substrate placed through the air proximity gap;
A plurality of temperature sensors respectively disposed at different locations of the heat exchange plate corresponding respectively to different locations of the substrate;
Input the output signals of the plurality of temperature sensors, measure the plate temperature at the different location of the heat exchange plate at each sampling time, and use the information indicating the relationship between the plate temperature and the substrate temperature prepared in advance A substrate temperature estimating device for estimating a substrate temperature at a different location of the substrate corresponding to each location from each of the plate temperatures at the different locations;
A plate controller for controlling the heat treatment operation of each zone that affects each location of the corresponding heat exchange plate using each of the estimated substrate temperatures at different locations of the substrate;
With
The heat exchange plate is
A cooling water passage extending substantially throughout the interior of the heat exchange plate;
Cooling water inlet to the cavity;
An outlet for cooling water from the cavity;
A first heater disposed in a first zone at a position surrounding the substrate outside an outer edge of the substrate;
A second heater disposed in a second zone located directly below the substrate;
A third heater disposed in a third zone near the outlet;
A substrate temperature control device , comprising: a fourth heater disposed in a fourth zone near the inlet .

First, second, third, and fourth temperature sensors are disposed in the second zone, and the first temperature sensor is disposed at a position of the second zone close to the first zone, The temperature sensor is disposed at a substantially central position of the second zone, the third temperature sensor is disposed near the third zone in the second zone, and the fourth temperature sensor is disposed in the second zone. It is arranged at a position close to the fourth zone of the two zones,
The substrate temperature estimation device estimates the first, second, third and fourth substrate temperatures from each of the plate temperatures from the first, second, third and fourth temperature sensors,
The plate control device controls the heating operation of the first, second, third, and fourth heaters using each of the estimated first, second, third, and fourth substrate temperatures. The substrate temperature control apparatus according to claim 6 .

A method of controlling the temperature of a substrate placed on a heat exchange plate through an air proximity gap and heat-treated by the heat exchange plate,
Measuring the plate temperature at each sampling time by inputting an output signal of a temperature sensor provided in the heat exchange plate;
Calculating a substrate temperature from the measured plate temperature using a state space model of a plate temperature and a substrate temperature prepared in advance ;
Using the calculated substrate temperature to control a heat treatment operation of the heat exchange plate,
Before SL state space model, a function of the substrate temperature at each time, the state variables at each time, an air proximity gap factor is a determinant of the substrate temperature caused by the change of the air proximity gap at each time And the state variable at each time is defined as a function of the state variable, the plate temperature, and the air proximity gap factor at the previous time .