JP3996717B2 - 基板熱処理装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハ、液晶表示装置用ガラス基板、フォトマスク用ガラス基板、光ディスク用基板等の基板（以下「基板」という）に対して熱処理を施す基板熱処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
枚葉式の基板熱処理装置として、複数のランプからの光照射によって基板を加熱処理する装置（ランプアニール装置）が知られている。このような装置は基板上に膜を形成するために多く使用されるが、その際には膜厚の均一性を確保することが重要である。従来装置においては、基板に熱処理を施して得られた膜の厚さを膜厚測定器で測定し、その膜厚測定結果に応じてランプへの加熱指令値を調節して以後の基板の熱処理を改善するという手順が採用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来装置は、後追い的に加熱指令値を是正するものであるため、基板の温度分布をリアルタイムで調整することができない。このため、加熱指令値を最終的に決定するまでに多くの作業を必要とするだけでなく、熱処理の内容が変更になるごとに上記の手順を繰り返して加熱指令値を再設定しなければならないという問題も生じさせる。
【０００４】
そして、このような問題は膜形成処理だけでなく、基板の加熱処理一般において生じる問題である。
【０００５】
そこで、本発明は前記問題点に鑑み、基板上の温度分布をリアルタイムに求めることができる基板熱処理装置、および、得られる温度分布に基づいて基板の加熱処理を均一に行うように制御する基板熱処理装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の基板熱処理装置は、基板の熱処理を行う装置であって、前記基板を加熱する加熱手段と、前記基板の複数の測定位置における温度を測定する複数の温度測定手段と、前記複数の測定位置のうち少なくとも２つの測定位置のそれぞれにおける測定温度に基づいて、基板の非測定位置における温度を推定する温度推定手段と、前記加熱手段の複数のゾーンの加熱指令値を、前記複数の温度測定手段による測定温度と前記温度推定手段による推定温度とに基づいて変更することによって、前記基板の温度分布を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。
【０００８】
請求項２の基板熱処理装置は、請求項１に記載の基板熱処理装置において、前記温度推定手段は、線形補間により前記非測定位置における前記基板の温度を推定することを特徴とする。
【００１０】
請求項３の基板熱処理装置は、請求項１または請求項２に記載の基板熱処理装置において、前記複数の測定位置は、前記基板上の特定位置からの距離が互いに異なることを特徴とする。
【００１１】
請求項４の基板熱処理装置は、請求項３に記載の基板熱処理装置において、前記基板を支持して回転する基板回転手段、をさらに備え、前記基板上の前記特定位置は、前記基板の回転中心であることを特徴とする。
【００１２】
請求項５の基板熱処理装置は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の基板熱処理装置において、前記複数の測定位置は、第１の直線上に配列された第１の測定位置群を含むことを特徴とする。
【００１３】
請求項６の基板熱処理装置は、請求項５に記載の基板熱処理装置において、前記複数の測定位置は、前記第１の直線に交わる第２の直線上に配列された第２の測定位置群をさらに含むことを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１５】
＜Ａ．第１実施形態＞
＜Ａ１．装置＞
図１は、本実施形態に係る熱処理装置１の概要構成を示す縦断面図である。熱処理装置１は、半導体ウエハなどの基板Ｗに対するランプアニール装置であり、基板の温度を高速に昇降させるＲＴＰ（Rapid Thermal Processing）に用いられ得る。熱処理装置１は、基板Ｗを収容するチャンバ１０と、基板Ｗを支持する基板支持部２０と、基板Ｗを加熱する基板加熱部３０と、基板Ｗの温度を測定する温度測定部４０と、基板Ｗの温度分布を推定する温度分布推定部４５と、基板加熱部３０に対する加熱指令値を生成して出力する加熱指令値生成部５０とを備えている。
【００１６】
チャンバ１０には、水路１２および水路１４が設けられている。水路１２、１４に冷却水を流すことによって、基板加熱部３０の加熱によるチャンバ１０の温度上昇を抑制している。
【００１７】
基板支持部２０は、基板Ｗを支持する支持リング２２と、支持リング２２を支える支持柱２４とを有する。支持柱２４は、その下部にモータ、ギア機構、マグネットなどを有する回転駆動機構２６を有しており、軸ＡＸ１を中心に回転することができる。基板支持部２０によって支持される基板Ｗは、以下に説明する熱処理中において、軸ＡＸ１を中心に回転する。また、基板Ｗの大きさに応じた支持リング２２を設けることによって、複数の大きさの基板を支持することができる。
【００１８】
基板加熱部３０は、光を出射する複数のランプ３２を備えており、これらの直線型のランプ３２によって基板Ｗが加熱される。複数のランプ３２は、複数のゾーンに区分されて基板に対向する位置にほぼ等間隔に配置されている。図１においては、各ゾーンＺ１〜Ｚ７にそれぞれ３つのランプが属する場合が示されている。なお、ゾーンの数および各ゾーンに属するランプの数は任意に設定することが可能である。
【００１９】
温度測定部４０は温度計４２を備えており、これらの温度計４２は基板の下方において固定されている。これらの温度計４２としては、放射温度計などを用いることができる。温度計４２によって、基板Ｗの所定位置における温度を測定する。また、温度測定部４０は複数の温度計４２を有しており、具体的には、温度計４２１〜４２４を有している。これらの温度計４２１〜４２４によって、各温度計に対応する複数の測定位置における基板Ｗの温度が測定される。
【００２０】
また、温度分布推定部４５は、温度測定部４０による測定温度に基づいて基板の温度分布を推定する。より具体的には、温度分布推定部４５が有する温度推定部４６によって、複数の測定位置のうち少なくとも２つの測定位置についての相互位置関係とそれぞれにおける測定温度とに基づいて、非測定位置における基板の温度が推定される。なお、温度測定部４０による測定、および温度分布推定部４５による温度分布の推定については、後に詳述する。
【００２１】
加熱指令値生成部５０は、温度測定部４０による測定温度に基づいて基板加熱部３０（図１）のランプ３２に対する加熱指令値を生成して、加熱指令値をランプ３２に出力する。これによって、基板Ｗの温度などの被制御量を目標値に追従させるように最適な制御を行う。また、加熱指令値生成部５０は、基板温度の面内分布を均一にするため、各ランプに固有の加熱指令値をリアルタイムに変更して制御する。
【００２２】
＜Ａ２．動作＞
＜温度測定＞
図２(a)、(b)は、熱処理装置１において基板支持部２０に支持される基板Ｗの下方部分の状態を２つの例について表す上面図である。図２(a)の例では、複数の温度計４２１〜４２４のそれぞれは、互いに異なる半径を有する同心円上の位置における温度を測定できるように直線状に配置されている。また、図２(b)の例では、複数の温度計４２１〜４２４のそれぞれは、互いに異なる半径を有する同心円上の位置における温度を測定できるように２次元的に分散して配置されている。これらの２つの例はいずれも採用可能である。
【００２３】
ここで、図２(a)、(b)のいずれの配置をも採用することができる理由について説明する。基板Ｗは基板支持部２０（図１）の回転に伴って回転するため、基板上の回転中心から同一の距離の各部位では、所定時間内に受ける放射熱がほぼ同一量になる。よって、同一半径位置における基板温度は、その角度位置に依存せず、ほぼ同一となる。つまり、基板Ｗの温度分布は回転軸ＡＸ１を中心としてほぼ点対称な分布になり、基板の回転中心からの距離が互いに異なる基板上の位置の温度を測定すれば、基板の温度分布を求めることができる。すなわち、図２(a)(b)のいずれの配置の各温度計４２１〜４２４によっても、同様の結果を得ることができるのである。また、後述するように、この点対称性を利用して求められた基板Ｗの温度分布に基づいて、これらのゾーンに含まれるランプの加熱指令値を決定することができる。
【００２４】
図３は、各ゾーンＺ１〜Ｚ７とそれらに対応する温度計４２１〜４２４の温度測定位置Ｐ１〜Ｐ４とを模式的に示す図である。なお、図３においては、各ゾーンＺ１〜Ｚ７に含まれている３つのランプ３２は、それぞれ、白丸で表現されている。
【００２５】
この実施形態における複数の温度計４２１〜４２４は図２(b)に示すような位置に配置されているが、図３の模式図においては、対応する温度計が各ゾーンの下方において直線的に配置されるように、すなわち図２(a)に対応するように図示されている。基板の温度は回転中心からの距離（つまり半径）のみによって一義的に決定されるものと仮定して、回転方向の角度を無視してその固有の半径に対応する位置に直線上に配置されるように表現したものである。
【００２６】
中央のゾーンＺ１の下方には、温度計４２１が配置されている。温度計４２１は、ゾーンＺ１のランプ３２が最も影響を及ぼす位置の基板温度を測定することができる。同様に、温度計４２２は、ゾーンＺ２のランプ３２により特に大きく影響を受ける位置の基板温度を測定する。温度計４２３および４２４についても同様である。
【００２７】
また、中央のゾーンＺ１に関してゾーンＺ２〜Ｚ４と対照的な位置にあるゾーンＺ５〜Ｚ７の各ランプ３２の加熱指令値の決定にあたっては、上記の温度分布の点対称性に基づいて、温度計４２２〜４２４の測定温度を用いることができる。
【００２８】
各温度計４２１〜４２４によって、ゾーンＺ１〜Ｚ４に対応する測定位置Ｐ１〜Ｐ４の基板温度を測定する。測定位置Ｐ１〜Ｐ４における測定温度に基づいて、ゾーンＺ１〜Ｚ４に属するランプ３２の出力を決定することができる。
【００２９】
＜温度分布推定＞
図３においては、温度計４２１〜４２４によって、各ゾーンＺ１〜Ｚ４が影響を及ぼす測定位置Ｐ１〜Ｐ４における温度を実際に測定する場合が示されている。
【００３０】
ところで、各ゾーンＺ１，Ｚ２（Ｚ５）、Ｚ３（Ｚ６）、Ｚ４（Ｚ７）に対応する基板部位のすべてについて、必ずしも実際に温度計による測定を行う必要はない。たとえば、次のようにして、このうちの一部の基板部位での基板温度を他の温度計による測定値に基づいて推定することも可能である。なお、以下では加熱制御のために温度情報を取り込む位置の全体を「温度参照位置」と呼び、そのうち実際に温度測定を行う位置を「測定位置」、実際には温度測定を行わないが推定演算によってその位置での温度が推定される位置を「非測定位置」と呼ぶことにする。
【００３１】
図４は、そのような場合の温度計４２１、４２４、４２５の配置を示す図である。温度計４２１は測定位置Ｐ１の温度を測定し、温度計４２４は測定位置Ｐ４の温度を測定する。なお、温度計４２５は、隣接する２つのゾーンＺ２，Ｚ３の境界付近を測定位置とする温度計であるが、この温度計４２５も使用する場合については後述し、ここではまず２つの温度計４２１，４２４だけが存在する場合を考える。
【００３２】
ここで、図４においては、図３における温度計４２２、４２３、つまり温度参照位置Ｐ２、Ｐ３の温度を直接に測定する温度計は存在しない。この場合、これらの温度参照位置（すなわち非測定位置）Ｐ２、Ｐ３の温度は、たとえば、温度計４２１および温度計４２４に対応する測定位置Ｐ１、Ｐ４の相互間の位置関係とそれぞれにおける測定温度との関係に基づいて推定することができる。
【００３３】
具体的には、測定位置Ｐ１における測定温度Ｔ１と測定位置Ｐ４における測定温度Ｔ４とを線形補間して、非測定位置Ｐ２における温度の推定値Ｔ２’と非測定位置Ｐ３における温度の推定値Ｔ３’とを求めることができる。温度参照位置Ｐ１からＰ４までが等間隔に並んでいる場合には、この線形補間の式は次の数１および数２のようになる。
【００３４】
【数１】
【００３５】
【数２】
【００３６】
また、温度参照位置が等間隔でない場合にも、同様の線形補間（内挿）ないしは線形近似により非測定位置の温度を推定によって求めることができる。たとえば、測定位置Ｐ１と測定位置Ｐ４との間をｍ：ｎに内分する位置の温度の推定値Ｔ’は、次の数３で表される。
【００３７】
【数３】
【００３８】
各位置Ｐ１、Ｐ４、Ｐ’の座標値が基板Ｗの回転中心を原点（極）とする極座標系で表現されている場合には、任意角度をθとして、測定位置Ｐ１（ｒ１，θ）における測定温度Ｔ１と、測定位置Ｐ４（ｒ４，θ）における測定温度Ｔ４とに基づいて、非測定位置Ｐ’（ｒ，θ）における温度Ｔ’を次の数４によって推定することができる。
【００３９】
【数４】
【００４０】
図４中に示すように、上記で用いた２つの温度計４２１および温度計４２４以外の別の温度計４２５が存在する場合、この温度計４２５の測定温度Ｔ５も非測定位置の温度推定のためにさらに用いることもできる。既述したように、測定位置Ｐ５は、測定位置Ｐ１と測定位置Ｐ４との間において、隣接する２つのゾーンＺ２，Ｚ３の境界付近に位置している。
【００４１】
この場合、非測定位置Ｐ２における温度の推定値Ｔ２’は、測定位置Ｐ５における測定温度Ｔ５と測定位置Ｐ１における測定温度Ｔ１とによって、上記と同様の線形補間を用いて推定により求めることができる。また、非測定位置Ｐ３における温度の推定値Ｔ３’は、測定位置Ｐ５における測定温度Ｔ５と測定位置Ｐ４における測定温度Ｔ４とによって、上記と同様の線形補間を用いて推定により求めることができる。このように測定位置の間隔を小さくすることにより、温度分布の推定精度を向上させることができる。
【００４２】
また、線形補間以外の補間方法、たとえば、より高次の補間曲線によっても、非測定位置の温度を推定することができる。また、基板の回転中心から見て測定位置の外に非測定位置がある場合には、線形外挿によってその非測定位置の温度を推定可能である。いずれの場合も、２以上の測定位置における測定温度（温度測定結果）を使用することが好ましい。
【００４３】
以上のようにして、所望の位置に関する温度を推定することにより、基板の温度分布を温度計の数で規定される空間間隔よりも精密な間隔で求めることができる。
【００４４】
＜制御＞
上記のようにして、基板Ｗ上の測定位置での測定温度と非測定位置での推定温度とが求められると、加熱指令値生成部５０が、このような温度分布に基づいて各ランプ３２への加熱指令値を決定する。その加熱指令値がランプ３２に出力することにより、基板Ｗの温度などの被制御量を目標値に追従させる。その際、加熱指令値生成部５０は、基板温度の面内分布を均一にするため、各ランプに固有の加熱指令値をリアルタイムに変更して制御する。面内分布の均一化のための各ランプ３２の加熱指令値の決定方法には、様々な方法を利用することができるが、ここでは、ゾーン毎に固有の基準出力指令値を生成し、その基準出力指令値をゾーン内の各ランプの加熱指令値として求める方式について説明する。
【００４５】
図５は、本制御方式の概略概念図である。図５は、説明のため図を簡単化している。図５においてはゾーン数は３つのみしか示されていないが、図１におけるゾーンの一部が示されていると考えることができる。たとえば、互いに隣接ないしは連続するゾーンＺａ、Ｚｂは、それぞれ図１のゾーンＺ１、Ｚ２に対応する。あるいは、ゾーンＺｂ、Ｚｃは、それぞれ、Ｚ３、Ｚ６と対応するものと考えることもできる。
【００４６】
ゾーンＺａに対する基準出力指令値ＹＣａは、位置Ｐａの温度Ｔａに基づいたフィードバック制御系を構成する補償器Ｃａによって決定される。このようなフィードバック制御系としては、様々な制御系を用いることができ、ＰＩＤ動作型の制御系はもちろん、他の様々な制御系を用いることができる。また、同様にして、ゾーンＺｂに対する基準出力指令値ＹＣｂも決定される。
【００４７】
ここで、温度Ｔａとしては、実際に測定された測定温度の値を用いることができるが、上記の温度分布推定によって求められた推定温度の値を用いることもできる。推定温度の値を用いる場合においては、上述したように、その位置の温度を実際に測定する温度計を配置する必要がないため、さらに少ない数の温度計で同様の結果を得ることができる。
【００４８】
各ランプａ１〜ａ３、ｂ１〜ｂ３に対する加熱指令値は、このようにして求められた各ゾーンＺａ、Ｚｂに固有の基準出力指令値ＹＣａ、ＹＣｂの値をそれぞれ用いて定められる。
【００４９】
このようにしてＮ個のすべてのランプ３２についてそれぞれの加熱指令値を求めることにより、基板Ｗ上の温度分布を均一化することができる。
【００５０】
＜Ｂ．第２実施形態＞
図６は、第２実施形態に係る熱処理装置１Ｂの概要構成を示す縦断面図である。本実施形態の熱処理装置１Ｂは、基板支持部２０が基板を回転させるための回転駆動機構２６などを有しないことと温度計の配置が異なることとを除いては、第１実施形態の熱処理装置１と同様の構成である。熱処理装置１Ｂの基板支持部２０Ｂは、基板を回転させずに支持柱２４によって基板Ｗを支持する。
【００５１】
このような場合に厳密に温度分布を測定するためには、各ゾーンに対応する位置に温度計を配置することが望ましい。基板Ｗが回転しないので、基板Ｗ上の温度分布の点対称性が必ずしも保証されないからである。
【００５２】
しかしながら、基板Ｗの温度分布は、完全な点対称ではないにしても、対称性を有することがある。たとえば、図１のように、直線型のランプ（以下、「直管ランプ」ともいう）３２が並列的に配置されている場合には、各直管ランプ３２の長手方向には、温度分布があまり変化しないことが多い。したがって、このような場合には、直管ランプ３２の長手方向に直交する方向にのみ温度分布が変化すると仮定することができる。
【００５３】
図７は、そのような場合の温度計の配置を示す上面図である。図７に示すように、ランプ３２（一部のみ示す）に関する各ゾーンＺ１〜Ｚ７に対応する位置に温度計４２１〜４２７が配置されており、基板Ｗ上の各測定位置Ｐ１〜Ｐ７の温度を測定する。これにより、チャンバ１０内における基板Ｗの温度分布を求めることができる。
【００５４】
また、温度参照位置Ｐ１〜Ｐ７の温度は、その位置の温度を測定するための温度計を設けずに、他の温度計の測定値から推定することもできる。このような推定によって求められた値（温度推定値）によっても、基板Ｗの温度分布を制御することができる。温度の推定のための演算方法については、第１実施形態と同様であり、２以上の測定温度に基づいて、補間などの近似により求めることができる。
【００５５】
さらに、基板の温度分布が所定の直線に関して対称になることが保証される場合には、さらに温度計の数を減らすことが可能である。図７の場合、この所定の直線は、直管ランプ３２の長手方向に平行な直線である。たとえば、測定位置Ｐ５〜Ｐ７と測定位置Ｐ２〜Ｐ４とにおける温度が直線ＬＸに関して対称であると仮定できる場合には、温度計４２５〜４２７を配置せずに温度計４２１〜４２４のみによって、温度分布を推定することも可能である。
【００５６】
上記のような測定および推定によって求められた温度分布に基づいて、第１実施形態と同様の制御を行うことにより、基板の温度分布を均一にするように基板の加熱処理を行うことができる。
【００５７】
＜Ｃ．第３実施形態＞
第３実施形態における熱処理装置１は、ランプの配置および温度計の配置が異なることを除いては、第２実施形態と同様の構成である。第２実施形態においては、特定の１方向にのみ温度分布が変化すると仮定する場合について例示したが、第３実施形態においては、２つの直交する方向に温度分布が変化すると仮定できる場合について例示する。図８は、このような基板の温度分布を与えるランプ配列の一例を示す上面図である。図８においては、直管ランプ３２の平行配列が、上下に互いに直交するように配置されている。なお、図１は、図８における上下の配列の一方のみが存在する場合に相当する。図８に示すようなランプ配列の場合には、ランプ３２が配列される２つの方向にのみ温度分布が変化するものとして近似できることが多い。
【００５８】
図９は、この場合の温度計の配置を示す上面図である。温度計４２１ｘ〜４２７ｘ、４２１ｙ〜４２３ｙ、４２５ｙ〜４２７ｙは、図に示すように十字形に配置されており、対応する位置ＰＸ１〜ＰＸ７、ＰＹ１〜ＰＹ３、ＰＹ５〜ＰＹ７の温度を測定する。特定の方向（図ではＸ方向）に配列される複数のランプ３２ａはゾーンＺＸ１〜ＺＸ７に区分されており、その特定方向に直交する方向（図ではＹ方向）に配列される他の複数のランプ３２ｂはゾーンＺＹ１〜ＺＹ７に区分されている。温度計４２１ｘ〜４２７ｘによれば、Ｘ方向に変化する温度分布を得ることができ、温度計４２１ｙ〜４２３ｙ、４２４ｘ、４２５ｙ〜４２７ｙによれば、Ｙ方向に変化する温度分布を得ることができる。これらの組合せにより、チャンバ１０内の基板Ｗの任意の位置の温度を推定することにより、基板の温度分布を求める。
【００５９】
ここで、非測定位置における温度は、第１実施形態と同様に、線形補間またはそれ以外の補間方法に推定により求めることができる。たとえば、線形補間を２つの方向に組み合わせて２次元的な補間を行い、それによって任意の位置の温度を推定することができる。
【００６０】
たとえば、図１０に示すような基板上の位置Ｐ０（ｘ，ｙ）の温度Ｔ０は、次の数５で表され得る。なお、本実施形態における座標値は、直交座標系で表現する。
【００６１】
【数５】
【００６２】
なお、温度Ｔ５３は、位置Ｐ５３（ｘ５，ｙ３）における温度であり、温度Ｔ６３は、位置Ｐ６３（ｘ６，ｙ３）における温度であり、温度Ｔ５２は、位置Ｐ５２（ｘ５，ｙ２）における温度である。また、これらの温度Ｔ５３、Ｔ６３、Ｔ５２は、同様の線形補間により次の数６により求めておくことができる。
【００６３】
【数６】
【００６４】
【数７】
【００６５】
【数８】
【００６６】
基板Ｗ上の任意の位置について、同様にして、温度の推定値を求めることができるため、それを使用すれば基板Ｗの温度分布を推定により求めることができる。
【００６７】
また、基板の温度分布が所定の直線に関して対称になることが保証される場合には、さらに温度計の数を減らすことが可能である。たとえば、図における直線ＬＸ（Ｘ軸）、ＬＹ（Ｙ軸）に関して温度分布が対称になると仮定できる場合には、温度計４２５ｘ〜４２７ｘ、４２５ｙ〜４２７ｙを設けずに、温度計４２１ｘ〜４２４ｘ、４２１ｙ〜４２３ｙのみを配置し、配置された温度計４２１ｘ〜４２４ｘ、４２１ｙ〜４２３ｙのみによって、基板Ｗの温度分布を推定することができる。
【００６８】
以後の加熱制御は、第１実施形態と同様である。
【００６９】
＜Ｄ．第４実施形態＞
第４実施形態における熱処理装置１は、ランプの配置が異なることを除いては、第３実施形態と同様の構成である。
【００７０】
第３実施形態においては、２つの直交する方向に温度分布が変化すると仮定する場合について例示したが、第４実施形態においては、温度分布が所定の点（対称中心）に関して点対称になることが所定程度に保証される場合に相当する。このような対称中心の位置は基板の平面的な重心位置に相当し、たとえば、基板の形状が円形である場合には円の中心である。なお、円形基板には通常、オリフラまたはノッチが形成されているが、その影響についてはほとんど無視できるため、円形基板の中心を、その外形円の中心して扱っても大きな誤差はない。
【００７１】
図１１は、このような基板の温度分布を与えるランプ配列の一例を示す上面図である。図１１においては、球状のランプの平行配列が、同心円状に配置されている。図１１に示すようなランプ配列の場合には、温度分布が点対称であるとして近似できることが多い。温度分布が点対称性がほぼ完全に保証されている場合は、第１実施形態と同様の、図２（ａ）（ｂ）に示すような位置に配置する温度計による測定によって、基板の全面に亙る温度分布を推定することができる。
【００７２】
しかしながら、対称性があまり保証されない場合には、図２（ａ）（ｂ）に示すような温度計の配置では、基板の温度分布を正確に推定することができない。そのような場合には、温度計を追加して測定位置を増やすことによって対処することができる。
【００７３】
図１２は、このような場合の温度計の配置の一例を示す上面図である。各温度計４２１ｒ〜４２９ｒは、図に示すように十字形に配置されており、それぞれに対応する位置ＰＲ１〜ＰＲ９の温度ＴＲ１〜ＴＲ９を測定する。
【００７４】
ここで、非測定位置における温度は、測定位置ＰＲ１〜ＰＲ９における測定温度ＴＲ１〜ＴＲ９に基づく補間によって推定することが可能である。ここでは、線形補間により、非測定位置ＰＲ１２における温度ＴＲ１２を求める場合について例示する。
【００７５】
(1)まず、中間段階として、位置ＰＲ１０における温度ＴＲ１０と位置ＰＲ１１における温度ＴＲ１１とを求める。ここで、位置ＰＲ１０と位置ＰＲ１１とは、対称中心Ｏからの距離が等しい位置である。
【００７６】
位置ＰＲ１０は位置ＴＲ７と位置ＴＲ３とを１：２に内分する位置であるとすると、温度ＴＲ１０は次の数９によって求められる。
【００７７】
【数９】
【００７８】
このように、直線上の異なる位置における測定温度に基づいて、その直線上の任意の点の温度を推定によって求めることができる。なお、補間（すなわち内分ないしは内挿）ではなく、外挿（すなわち外分）によって非測定位置の温度を求めることも可能である。
【００７９】
同様に、位置ＰＲ１１は位置ＴＲ８と位置ＴＲ４とを１：２に内分する位置であるとすると、温度ＴＲ１１は次の数１０によって求められる。
【００８０】
【数１０】
【００８１】
このようにして、対称中心Ｏからの距離が同一の距離を有する２つの異なる位置における温度ＴＲ１０，ＴＲ１１を求めることができる。
【００８２】
(2)つぎに、位置ＰＲ１２が、位置ＰＲ１０と位置ＰＲ１１とを結ぶ円弧を２：１に内分する点であるとすると、温度ＴＲ１２は、温度ＴＲ１０と温度ＴＲ１１とに基づいて次の数１１によって求められる。
【００８３】
【数１１】
【００８４】
上記のように、対称中心からの距離が同一の距離を有する２つの異なる位置における温度ＴＲ１０，ＴＲ１１に基づいて、その円上の任意の位置の温度を推定によって求めることができる。なお、この際、両測定位置相互間の角度の内分比に応じて求める場合を例示したが、外分比に応じて求めることも可能である。
【００８５】
上記の(1)(2)により、基板上の任意の位置における温度を推定により求めることができるため、基板の温度分布を基板の全面に亙って求めることができる。
【００８６】
図１３は、上記の温度推定方法を一般的に拡張した場合について説明するための図である。すなわち、図１２においては、直交する２本の直線上の異なる複数の位置の温度を測定するように温度計を配置したが、図１３においては、任意の角度で交わる２本の直線Ｌａ、Ｌｂ上の異なる複数の位置の温度を測定するように温度計を配置する場合を例示する。
【００８７】
図１３に示すように、基板上の任意の位置Ｑ（ｒ，θ）の温度Ｓは、一般的に、次の数１２で表され得る。なお、本実施形態における座標値は、たとえば２つの直線Ｌａ、Ｌｂの交点Ｏrを原点とする極座標系で表現する。
【００８８】
【数１２】
【００８９】
ここで、温度Ｓ１は、位置Ｑ１（ｒ，θ１）における温度であり、温度Ｓ２は、位置Ｑ２（ｒ，θ２）における温度である。
【００９０】
また、温度Ｓ１、Ｓ２は、実測値が存在しない場合は、次のようにして推定され得る。たとえば、位置（ｒ１１、θ１）における測定温度Ｓ１１と、位置（ｒ１２、θ１）における測定温度Ｓ１２とに基づいて、次の式１３により、温度Ｓ１を推定することができる。
【００９１】
【数１３】
【００９２】
同様にして、位置（ｒ２１、θ２）における測定温度Ｓ２１と、位置（ｒ２２、θ２）における測定温度Ｓ２２とに基づいて、次の数１４により、温度Ｓ２を推定することができる。
【００９３】
【数１４】
【００９４】
上記の数１２〜数１４によって表されるように、同一半径上の異なる２つの位置Ｑ１，Ｑ２の温度Ｓ１，Ｓ２に基づいて、その半径を有する円上の位置Ｑの温度Ｓを求めることができる。
【００９５】
また、基板の温度分布が所定の直線に関して対称になることが保証される場合には、さらに温度計の数を減らすことが可能である。たとえば、基板の温度分布が図１２の直線Ｌに関して対称になる場合には、温度計４２４ｒ、４２５ｒ、４２８ｒ、４２９ｒを設けずに、温度計４２１ｒ〜４２３ｒ、４２６ｒ、４２７ｒのみを配置し、配置された温度計のみによって温度分布を推定することができる。
【００９６】
一方、基板の温度分布をさらに正確に測定するためには、角度θ方向に温度計の配列を追加して配列することができる。ただし、ある程度の対称性が保証されている場合、所定数以上の温度計を増設しても、温度分布精度の飛躍的な向上には結びつかない。したがって、要求される温度分布精度に応じた適切な数の温度計を配置することが望ましい。
【００９７】
上記のような測定および推定によって求められた温度分布に基づいて、第１実施形態と同様の制御を行うことにより、基板の温度分布を均一にするように基板の加熱処理を行うことができる。
【００９８】
＜Ｅ．その他の変形例＞
上記実施形態においては、各ゾーンに属する複数のランプの出力を求めるにあたって、基準出力指令値をそのまま加熱指令値として出力する場合を示したが、これに限定されない。たとえば、隣接するゾーンの基準出力指令値を参照して、基準出力指令値を修正して各ランプの加熱指令値を求めることなども可能である。
【００９９】
また、上記実施形態において、基板の形状は円形である場合を示したが、基板上の温度分布が上記実施形態で示したような特性を有する分布であればよく、矩形形状などの基板にも本発明を適用することが可能である。
【０１００】
上記実施形態においては、基板を加熱するランプは、基板面の一方の側のみに配置されていたが、基板面の両側にランプを配置して基板に対して加熱処理を行うこともできる。たとえば、第３実施形態における互いに直交する上下２段に配列された直管ランプの平行配列のうち、一方の方向の配列のものを基板面の上方に配置し、他方の配列を基板面の下方に配置することも可能である。
【０１０１】
さらに、上記実施形態においては、得られた温度分布に基づいて、自動的に各ランプの加熱指令値を求めて、基板の温度分布を均一にするような制御が行われる場合を例示した。しかしながら、たとえば、得られた温度分布を表示部６０（図１、図６参照）などに表示し、操作者がこの表示部６０の表示に基づいて、基板の温度分布を手動で調整することも可能である。また、基本的には自動制御を行う場合であっても、表示部６０に表示された温度分布に基づいて、自動制御の際のパラメータ決定にあたって微妙な調整を行うこともできる。
【０１０２】
【発明の効果】
以上のように、請求項１ないし請求項６に記載の基板熱処理装置によれば、基板の複数の測定位置における温度を測定する複数の温度測定手段と、複数の測定位置のうち少なくとも２つの測定位置のそれぞれにおける測定温度に基づいて、基板の非測定位置における温度を推定する温度推定手段とを備えているので、加熱手段の加熱による基板の温度分布をリアルタイムで求めることができる。また、温度を得るべき所望の位置のうちの一部の位置の温度を求めるにあたって実際には温度計を設けずに温度を推定することができるので、より少ない数の温度計で所望の位置の温度を求めることができる。
【０１０４】
また、請求項１ないし請求項６に記載の基板熱処理装置によれば、加熱手段の複数のゾーンの加熱指令値を、複数の温度測定手段による測定温度と温度推定手段による推定温度とに基づいて変更することによって、基板の温度分布を制御する制御手段をさらに備えるので、基板の温度分布を均一化するような制御をより少ない数の温度計でリアルタイムで行うことができる。
【０１０５】
特に、請求項３および請求項４に記載の基板熱処理装置によれば、複数の測定位置は、基板上の特定位置からの距離が互いに異なるので、温度分布が点対称性を有する場合には、さらに少ない数の温度計で効率的に基板の温度分布を求めることができる。
【０１０６】
また特に、請求項５に記載の基板熱処理装置によれば、複数の測定位置は、第１の直線上に配列された第１の測定位置群を含む。したがって、温度分布が線対称性を有する場合に、さらに少ない数の温度計で効率的に基板の温度分布を求めることができる。
【０１０７】
また特に、請求項６に記載の基板熱処理装置によれば、複数の測定位置は、第１の直線に交わる第２の直線上に配列された第２の測定位置群をさらに含む。したがって、より細かい温度分布を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る熱処理装置１の概要構成を示す縦断面図である。
【図２】熱処理装置１における基板支持部２０の下方部分を表す上面図である。
【図３】各ゾーンＺ１〜Ｚ７とそれらに対応する温度測定位置Ｐ１〜Ｐ４とを模式的に示す図である。
【図４】温度計４２１、４２４、４２５の配置を示す図である。
【図５】本制御方式の概略概念図である。
【図６】第２実施形態に係る熱処理装置１Ｂの概要構成を示す縦断面図である。
【図７】温度計の配置の一例を示す上面図である。
【図８】直線型のランプの平行配列が、上下に互いに直交するように配置される、ランプの配置例を示す図である。
【図９】温度計の配置の一例を示す上面図である。
【図１０】図９の一部を拡大した図である。
【図１１】基板上に点対称な温度分布を与えるランプ配列の一例を示す上面図である。
【図１２】温度計の配置の一例を示す上面図である。
【図１３】温度推定方法を一般的に拡張した場合について説明するための図である。
【符号の説明】
１，１Ｂ 基板熱処理装置
１０ チャンバ
１２，１４ 水路
２０，２０Ｂ 基板支持部
２２ 支持リング
２４，２４Ｂ 支持柱
２６ 回転駆動機構
３０ 基板加熱部
３２ ランプ
４０ 温度測定部
４２，４２１〜４２７ 温度計
４５ 温度分布推定部
４６ 温度推定部
５０ 加熱指令値生成部
６０ 表示部
Ｃａ，Ｃｂ 補償器
Ｗ 基板
Ｚ１，Ｚ２，Ｚａ，Ｚｂ ゾーン
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハ、液晶表示装置用ガラス基板、フォトマスク用ガラス基板、光ディスク用基板等の基板（以下「基板」という）に対して熱処理を施す基板熱処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
枚葉式の基板熱処理装置として、複数のランプからの光照射によって基板を加熱処理する装置（ランプアニール装置）が知られている。このような装置は基板上に膜を形成するために多く使用されるが、その際には膜厚の均一性を確保することが重要である。従来装置においては、基板に熱処理を施して得られた膜の厚さを膜厚測定器で測定し、その膜厚測定結果に応じてランプへの加熱指令値を調節して以後の基板の熱処理を改善するという手順が採用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来装置は、後追い的に加熱指令値を是正するものであるため、基板の温度分布をリアルタイムで調整することができない。このため、加熱指令値を最終的に決定するまでに多くの作業を必要とするだけでなく、熱処理の内容が変更になるごとに上記の手順を繰り返して加熱指令値を再設定しなければならないという問題も生じさせる。
【０００４】
そして、このような問題は膜形成処理だけでなく、基板の加熱処理一般において生じる問題である。
【０００５】
そこで、本発明は前記問題点に鑑み、基板上の温度分布をリアルタイムに求めることができる基板熱処理装置、および、得られる温度分布に基づいて基板の加熱処理を均一に行うように制御する基板熱処理装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の基板熱処理装置は、基板の熱処理を行う装置であって、前記基板を加熱する加熱手段と、前記基板の複数の測定位置における温度を測定する複数の温度測定手段と、前記複数の測定位置のうち少なくとも２つの測定位置のそれぞれにおける測定温度に基づいて、基板の非測定位置における温度を推定する温度推定手段と、前記加熱手段の複数のゾーンの加熱指令値を、前記複数の温度測定手段による測定温度と前記温度推定手段による推定温度とに基づいて変更することによって、前記基板の温度分布を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。
【０００８】
請求項２の基板熱処理装置は、請求項１に記載の基板熱処理装置において、前記温度推定手段は、線形補間により前記非測定位置における前記基板の温度を推定することを特徴とする。
【００１０】
請求項３の基板熱処理装置は、請求項１または請求項２に記載の基板熱処理装置において、前記複数の測定位置は、前記基板上の特定位置からの距離が互いに異なることを特徴とする。
【００１１】
請求項４の基板熱処理装置は、請求項３に記載の基板熱処理装置において、前記基板を支持して回転する基板回転手段、をさらに備え、前記基板上の前記特定位置は、前記基板の回転中心であることを特徴とする。
【００１２】
請求項５の基板熱処理装置は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の基板熱処理装置において、前記複数の測定位置は、第１の直線上に配列された第１の測定位置群を含むことを特徴とする。
【００１３】
請求項６の基板熱処理装置は、請求項５に記載の基板熱処理装置において、前記複数の測定位置は、前記第１の直線に交わる第２の直線上に配列された第２の測定位置群をさらに含むことを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１５】
＜Ａ．第１実施形態＞
＜Ａ１．装置＞
図１は、本実施形態に係る熱処理装置１の概要構成を示す縦断面図である。熱処理装置１は、半導体ウエハなどの基板Ｗに対するランプアニール装置であり、基板の温度を高速に昇降させるＲＴＰ（Rapid Thermal Processing）に用いられ得る。熱処理装置１は、基板Ｗを収容するチャンバ１０と、基板Ｗを支持する基板支持部２０と、基板Ｗを加熱する基板加熱部３０と、基板Ｗの温度を測定する温度測定部４０と、基板Ｗの温度分布を推定する温度分布推定部４５と、基板加熱部３０に対する加熱指令値を生成して出力する加熱指令値生成部５０とを備えている。
【００１６】
チャンバ１０には、水路１２および水路１４が設けられている。水路１２、１４に冷却水を流すことによって、基板加熱部３０の加熱によるチャンバ１０の温度上昇を抑制している。
【００１７】
基板支持部２０は、基板Ｗを支持する支持リング２２と、支持リング２２を支える支持柱２４とを有する。支持柱２４は、その下部にモータ、ギア機構、マグネットなどを有する回転駆動機構２６を有しており、軸ＡＸ１を中心に回転することができる。基板支持部２０によって支持される基板Ｗは、以下に説明する熱処理中において、軸ＡＸ１を中心に回転する。また、基板Ｗの大きさに応じた支持リング２２を設けることによって、複数の大きさの基板を支持することができる。
【００１８】
基板加熱部３０は、光を出射する複数のランプ３２を備えており、これらの直線型のランプ３２によって基板Ｗが加熱される。複数のランプ３２は、複数のゾーンに区分されて基板に対向する位置にほぼ等間隔に配置されている。図１においては、各ゾーンＺ１〜Ｚ７にそれぞれ３つのランプが属する場合が示されている。なお、ゾーンの数および各ゾーンに属するランプの数は任意に設定することが可能である。
【００１９】
温度測定部４０は温度計４２を備えており、これらの温度計４２は基板の下方において固定されている。これらの温度計４２としては、放射温度計などを用いることができる。温度計４２によって、基板Ｗの所定位置における温度を測定する。また、温度測定部４０は複数の温度計４２を有しており、具体的には、温度計４２１〜４２４を有している。これらの温度計４２１〜４２４によって、各温度計に対応する複数の測定位置における基板Ｗの温度が測定される。
【００２０】
また、温度分布推定部４５は、温度測定部４０による測定温度に基づいて基板の温度分布を推定する。より具体的には、温度分布推定部４５が有する温度推定部４６によって、複数の測定位置のうち少なくとも２つの測定位置についての相互位置関係とそれぞれにおける測定温度とに基づいて、非測定位置における基板の温度が推定される。なお、温度測定部４０による測定、および温度分布推定部４５による温度分布の推定については、後に詳述する。
【００２１】
加熱指令値生成部５０は、温度測定部４０による測定温度に基づいて基板加熱部３０（図１）のランプ３２に対する加熱指令値を生成して、加熱指令値をランプ３２に出力する。これによって、基板Ｗの温度などの被制御量を目標値に追従させるように最適な制御を行う。また、加熱指令値生成部５０は、基板温度の面内分布を均一にするため、各ランプに固有の加熱指令値をリアルタイムに変更して制御する。
【００２２】
＜Ａ２．動作＞
＜温度測定＞
図２(a)、(b)は、熱処理装置１において基板支持部２０に支持される基板Ｗの下方部分の状態を２つの例について表す上面図である。図２(a)の例では、複数の温度計４２１〜４２４のそれぞれは、互いに異なる半径を有する同心円上の位置における温度を測定できるように直線状に配置されている。また、図２(b)の例では、複数の温度計４２１〜４２４のそれぞれは、互いに異なる半径を有する同心円上の位置における温度を測定できるように２次元的に分散して配置されている。これらの２つの例はいずれも採用可能である。
【００２３】
ここで、図２(a)、(b)のいずれの配置をも採用することができる理由について説明する。基板Ｗは基板支持部２０（図１）の回転に伴って回転するため、基板上の回転中心から同一の距離の各部位では、所定時間内に受ける放射熱がほぼ同一量になる。よって、同一半径位置における基板温度は、その角度位置に依存せず、ほぼ同一となる。つまり、基板Ｗの温度分布は回転軸ＡＸ１を中心としてほぼ点対称な分布になり、基板の回転中心からの距離が互いに異なる基板上の位置の温度を測定すれば、基板の温度分布を求めることができる。すなわち、図２(a)(b)のいずれの配置の各温度計４２１〜４２４によっても、同様の結果を得ることができるのである。また、後述するように、この点対称性を利用して求められた基板Ｗの温度分布に基づいて、これらのゾーンに含まれるランプの加熱指令値を決定することができる。
【００２４】
図３は、各ゾーンＺ１〜Ｚ７とそれらに対応する温度計４２１〜４２４の温度測定位置Ｐ１〜Ｐ４とを模式的に示す図である。なお、図３においては、各ゾーンＺ１〜Ｚ７に含まれている３つのランプ３２は、それぞれ、白丸で表現されている。
【００２５】
この実施形態における複数の温度計４２１〜４２４は図２(b)に示すような位置に配置されているが、図３の模式図においては、対応する温度計が各ゾーンの下方において直線的に配置されるように、すなわち図２(a)に対応するように図示されている。基板の温度は回転中心からの距離（つまり半径）のみによって一義的に決定されるものと仮定して、回転方向の角度を無視してその固有の半径に対応する位置に直線上に配置されるように表現したものである。
【００２６】
中央のゾーンＺ１の下方には、温度計４２１が配置されている。温度計４２１は、ゾーンＺ１のランプ３２が最も影響を及ぼす位置の基板温度を測定することができる。同様に、温度計４２２は、ゾーンＺ２のランプ３２により特に大きく影響を受ける位置の基板温度を測定する。温度計４２３および４２４についても同様である。
【００２７】
また、中央のゾーンＺ１に関してゾーンＺ２〜Ｚ４と対照的な位置にあるゾーンＺ５〜Ｚ７の各ランプ３２の加熱指令値の決定にあたっては、上記の温度分布の点対称性に基づいて、温度計４２２〜４２４の測定温度を用いることができる。
【００２８】
各温度計４２１〜４２４によって、ゾーンＺ１〜Ｚ４に対応する測定位置Ｐ１〜Ｐ４の基板温度を測定する。測定位置Ｐ１〜Ｐ４における測定温度に基づいて、ゾーンＺ１〜Ｚ４に属するランプ３２の出力を決定することができる。
【００２９】
＜温度分布推定＞
図３においては、温度計４２１〜４２４によって、各ゾーンＺ１〜Ｚ４が影響を及ぼす測定位置Ｐ１〜Ｐ４における温度を実際に測定する場合が示されている。
【００３０】
ところで、各ゾーンＺ１，Ｚ２（Ｚ５）、Ｚ３（Ｚ６）、Ｚ４（Ｚ７）に対応する基板部位のすべてについて、必ずしも実際に温度計による測定を行う必要はない。たとえば、次のようにして、このうちの一部の基板部位での基板温度を他の温度計による測定値に基づいて推定することも可能である。なお、以下では加熱制御のために温度情報を取り込む位置の全体を「温度参照位置」と呼び、そのうち実際に温度測定を行う位置を「測定位置」、実際には温度測定を行わないが推定演算によってその位置での温度が推定される位置を「非測定位置」と呼ぶことにする。
【００３１】
図４は、そのような場合の温度計４２１、４２４、４２５の配置を示す図である。温度計４２１は測定位置Ｐ１の温度を測定し、温度計４２４は測定位置Ｐ４の温度を測定する。なお、温度計４２５は、隣接する２つのゾーンＺ２，Ｚ３の境界付近を測定位置とする温度計であるが、この温度計４２５も使用する場合については後述し、ここではまず２つの温度計４２１，４２４だけが存在する場合を考える。
【００３２】
ここで、図４においては、図３における温度計４２２、４２３、つまり温度参照位置Ｐ２、Ｐ３の温度を直接に測定する温度計は存在しない。この場合、これらの温度参照位置（すなわち非測定位置）Ｐ２、Ｐ３の温度は、たとえば、温度計４２１および温度計４２４に対応する測定位置Ｐ１、Ｐ４の相互間の位置関係とそれぞれにおける測定温度との関係に基づいて推定することができる。
【００３３】
具体的には、測定位置Ｐ１における測定温度Ｔ１と測定位置Ｐ４における測定温度Ｔ４とを線形補間して、非測定位置Ｐ２における温度の推定値Ｔ２’と非測定位置Ｐ３における温度の推定値Ｔ３’とを求めることができる。温度参照位置Ｐ１からＰ４までが等間隔に並んでいる場合には、この線形補間の式は次の数１および数２のようになる。
【００３４】
【数１】
【数２】
また、温度参照位置が等間隔でない場合にも、同様の線形補間（内挿）ないしは線形近似により非測定位置の温度を推定によって求めることができる。たとえば、測定位置Ｐ１と測定位置Ｐ４との間をｍ：ｎに内分する位置の温度の推定値Ｔ’は、次の数３で表される。
【００３７】
【数３】
各位置Ｐ１、Ｐ４、Ｐ’の座標値が基板Ｗの回転中心を原点（極）とする極座標系で表現されている場合には、任意角度をθとして、測定位置Ｐ１（ｒ１，θ）における測定温度Ｔ１と、測定位置Ｐ４（ｒ４，θ）における測定温度Ｔ４とに基づいて、非測定位置Ｐ’（ｒ，θ）における温度Ｔ’を次の数４によって推定することができる。
【００３９】
【数４】
図４中に示すように、上記で用いた２つの温度計４２１および温度計４２４以外の別の温度計４２５が存在する場合、この温度計４２５の測定温度Ｔ５も非測定位置の温度推定のためにさらに用いることもできる。既述したように、測定位置Ｐ５は、測定位置Ｐ１と測定位置Ｐ４との間において、隣接する２つのゾーンＺ２，Ｚ３の境界付近に位置している。
【００４１】
この場合、非測定位置Ｐ２における温度の推定値Ｔ２’は、測定位置Ｐ５における測定温度Ｔ５と測定位置Ｐ１における測定温度Ｔ１とによって、上記と同様の線形補間を用いて推定により求めることができる。また、非測定位置Ｐ３における温度の推定値Ｔ３’は、測定位置Ｐ５における測定温度Ｔ５と測定位置Ｐ４における測定温度Ｔ４とによって、上記と同様の線形補間を用いて推定により求めることができる。このように測定位置の間隔を小さくすることにより、温度分布の推定精度を向上させることができる。
【００４２】
また、線形補間以外の補間方法、たとえば、より高次の補間曲線によっても、非測定位置の温度を推定することができる。また、基板の回転中心から見て測定位置の外に非測定位置がある場合には、線形外挿によってその非測定位置の温度を推定可能である。いずれの場合も、２以上の測定位置における測定温度（温度測定結果）を使用することが好ましい。
【００４３】
以上のようにして、所望の位置に関する温度を推定することにより、基板の温度分布を温度計の数で規定される空間間隔よりも精密な間隔で求めることができる。
【００４４】
＜制御＞
上記のようにして、基板Ｗ上の測定位置での測定温度と非測定位置での推定温度とが求められると、加熱指令値生成部５０が、このような温度分布に基づいて各ランプ３２への加熱指令値を決定する。その加熱指令値がランプ３２に出力することにより、基板Ｗの温度などの被制御量を目標値に追従させる。その際、加熱指令値生成部５０は、基板温度の面内分布を均一にするため、各ランプに固有の加熱指令値をリアルタイムに変更して制御する。面内分布の均一化のための各ランプ３２の加熱指令値の決定方法には、様々な方法を利用することができるが、ここでは、ゾーン毎に固有の基準出力指令値を生成し、その基準出力指令値をゾーン内の各ランプの加熱指令値として求める方式について説明する。
【００４５】
図５は、本制御方式の概略概念図である。図５は、説明のため図を簡単化している。図５においてはゾーン数は３つのみしか示されていないが、図１におけるゾーンの一部が示されていると考えることができる。たとえば、互いに隣接ないしは連続するゾーンＺａ、Ｚｂは、それぞれ図１のゾーンＺ１、Ｚ２に対応する。あるいは、ゾーンＺｂ、Ｚｃは、それぞれ、Ｚ３、Ｚ６と対応するものと考えることもできる。
【００４６】
ゾーンＺａに対する基準出力指令値ＹＣａは、位置Ｐａの温度Ｔａに基づいたフィードバック制御系を構成する補償器Ｃａによって決定される。このようなフィードバック制御系としては、様々な制御系を用いることができ、ＰＩＤ動作型の制御系はもちろん、他の様々な制御系を用いることができる。また、同様にして、ゾーンＺｂに対する基準出力指令値ＹＣｂも決定される。
【００４７】
ここで、温度Ｔａとしては、実際に測定された測定温度の値を用いることができるが、上記の温度分布推定によって求められた推定温度の値を用いることもできる。推定温度の値を用いる場合においては、上述したように、その位置の温度を実際に測定する温度計を配置する必要がないため、さらに少ない数の温度計で同様の結果を得ることができる。
【００４８】
各ランプａ１〜ａ３、ｂ１〜ｂ３に対する加熱指令値は、このようにして求められた各ゾーンＺａ、Ｚｂに固有の基準出力指令値ＹＣａ、ＹＣｂの値をそれぞれ用いて定められる。
【００４９】
このようにしてＮ個のすべてのランプ３２についてそれぞれの加熱指令値を求めることにより、基板Ｗ上の温度分布を均一化することができる。
【００５０】
＜Ｂ．第２実施形態＞
図６は、第２実施形態に係る熱処理装置１Ｂの概要構成を示す縦断面図である。本実施形態の熱処理装置１Ｂは、基板支持部２０が基板を回転させるための回転駆動機構２６などを有しないことと温度計の配置が異なることとを除いては、第１実施形態の熱処理装置１と同様の構成である。熱処理装置１Ｂの基板支持部２０Ｂは、基板を回転させずに支持柱２４によって基板Ｗを支持する。
【００５１】
このような場合に厳密に温度分布を測定するためには、各ゾーンに対応する位置に温度計を配置することが望ましい。基板Ｗが回転しないので、基板Ｗ上の温度分布の点対称性が必ずしも保証されないからである。
【００５２】
しかしながら、基板Ｗの温度分布は、完全な点対称ではないにしても、対称性を有することがある。たとえば、図１のように、直線型のランプ（以下、「直管ランプ」ともいう）３２が並列的に配置されている場合には、各直管ランプ３２の長手方向には、温度分布があまり変化しないことが多い。したがって、このような場合には、直管ランプ３２の長手方向に直交する方向にのみ温度分布が変化すると仮定することができる。
【００５３】
図７は、そのような場合の温度計の配置を示す上面図である。図７に示すように、ランプ３２（一部のみ示す）に関する各ゾーンＺ１〜Ｚ７に対応する位置に温度計４２１〜４２７が配置されており、基板Ｗ上の各測定位置Ｐ１〜Ｐ７の温度を測定する。これにより、チャンバ１０内における基板Ｗの温度分布を求めることができる。
【００５４】
また、温度参照位置Ｐ１〜Ｐ７の温度は、その位置の温度を測定するための温度計を設けずに、他の温度計の測定値から推定することもできる。このような推定によって求められた値（温度推定値）によっても、基板Ｗの温度分布を制御することができる。温度の推定のための演算方法については、第１実施形態と同様であり、２以上の測定温度に基づいて、補間などの近似により求めることができる。
【００５５】
さらに、基板の温度分布が所定の直線に関して対称になることが保証される場合には、さらに温度計の数を減らすことが可能である。図７の場合、この所定の直線は、直管ランプ３２の長手方向に平行な直線である。たとえば、測定位置Ｐ５〜Ｐ７と測定位置Ｐ２〜Ｐ４とにおける温度が直線ＬＸに関して対称であると仮定できる場合には、温度計４２５〜４２７を配置せずに温度計４２１〜４２４のみによって、温度分布を推定することも可能である。
【００５６】
上記のような測定および推定によって求められた温度分布に基づいて、第１実施形態と同様の制御を行うことにより、基板の温度分布を均一にするように基板の加熱処理を行うことができる。
【００５７】
＜Ｃ．第３実施形態＞
第３実施形態における熱処理装置１は、ランプの配置および温度計の配置が異なることを除いては、第２実施形態と同様の構成である。第２実施形態においては、特定の１方向にのみ温度分布が変化すると仮定する場合について例示したが、第３実施形態においては、２つの直交する方向に温度分布が変化すると仮定できる場合について例示する。図８は、このような基板の温度分布を与えるランプ配列の一例を示す上面図である。図８においては、直管ランプ３２の平行配列が、上下に互いに直交するように配置されている。なお、図１は、図８における上下の配列の一方のみが存在する場合に相当する。図８に示すようなランプ配列の場合には、ランプ３２が配列される２つの方向にのみ温度分布が変化するものとして近似できることが多い。
【００５８】
図９は、この場合の温度計の配置を示す上面図である。温度計４２１ｘ〜４２７ｘ、４２１ｙ〜４２３ｙ、４２５ｙ〜４２７ｙは、図に示すように十字形に配置されており、対応する位置ＰＸ１〜ＰＸ７、ＰＹ１〜ＰＹ３、ＰＹ５〜ＰＹ７の温度を測定する。特定の方向（図ではＸ方向）に配列される複数のランプ３２ａはゾーンＺＸ１〜ＺＸ７に区分されており、その特定方向に直交する方向（図ではＹ方向）に配列される他の複数のランプ３２ｂはゾーンＺＹ１〜ＺＹ７に区分されている。温度計４２１ｘ〜４２７ｘによれば、Ｘ方向に変化する温度分布を得ることができ、温度計４２１ｙ〜４２３ｙ、４２４ｘ、４２５ｙ〜４２７ｙによれば、Ｙ方向に変化する温度分布を得ることができる。これらの組合せにより、チャンバ１０内の基板Ｗの任意の位置の温度を推定することにより、基板の温度分布を求める。
【００５９】
ここで、非測定位置における温度は、第１実施形態と同様に、線形補間またはそれ以外の補間方法に推定により求めることができる。たとえば、線形補間を２つの方向に組み合わせて２次元的な補間を行い、それによって任意の位置の温度を推定することができる。
【００６０】
たとえば、図１０に示すような基板上の位置Ｐ０（ｘ，ｙ）の温度Ｔ０は、次の数５で表され得る。なお、本実施形態における座標値は、直交座標系で表現する。
【００６１】
【数５】
なお、温度Ｔ５３は、位置Ｐ５３（ｘ５，ｙ３）における温度であり、温度Ｔ６３は、位置Ｐ６３（ｘ６，ｙ３）における温度であり、温度Ｔ５２は、位置Ｐ５２（ｘ５，ｙ２）における温度である。また、これらの温度Ｔ５３、Ｔ６３、Ｔ５２は、同様の線形補間により次の数６により求めておくことができる。
【００６３】
【数６】
【数７】
【数８】
基板Ｗ上の任意の位置について、同様にして、温度の推定値を求めることができるため、それを使用すれば基板Ｗの温度分布を推定により求めることができる。
【００６７】
また、基板の温度分布が所定の直線に関して対称になることが保証される場合には、さらに温度計の数を減らすことが可能である。たとえば、図における直線ＬＸ（Ｘ軸）、ＬＹ（Ｙ軸）に関して温度分布が対称になると仮定できる場合には、温度計４２５ｘ〜４２７ｘ、４２５ｙ〜４２７ｙを設けずに、温度計４２１ｘ〜４２４ｘ、４２１ｙ〜４２３ｙのみを配置し、配置された温度計４２１ｘ〜４２４ｘ、４２１ｙ〜４２３ｙのみによって、基板Ｗの温度分布を推定することができる。
【００６８】
以後の加熱制御は、第１実施形態と同様である。
【００６９】
＜Ｄ．第４実施形態＞
第４実施形態における熱処理装置１は、ランプの配置が異なることを除いては、第３実施形態と同様の構成である。
【００７０】
第３実施形態においては、２つの直交する方向に温度分布が変化すると仮定する場合について例示したが、第４実施形態においては、温度分布が所定の点（対称中心）に関して点対称になることが所定程度に保証される場合に相当する。このような対称中心の位置は基板の平面的な重心位置に相当し、たとえば、基板の形状が円形である場合には円の中心である。なお、円形基板には通常、オリフラまたはノッチが形成されているが、その影響についてはほとんど無視できるため、円形基板の中心を、その外形円の中心して扱っても大きな誤差はない。
【００７１】
図１１は、このような基板の温度分布を与えるランプ配列の一例を示す上面図である。図１１においては、球状のランプの平行配列が、同心円状に配置されている。図１１に示すようなランプ配列の場合には、温度分布が点対称であるとして近似できることが多い。温度分布が点対称性がほぼ完全に保証されている場合は、第１実施形態と同様の、図２（ａ）（ｂ）に示すような位置に配置する温度計による測定によって、基板の全面に亙る温度分布を推定することができる。
【００７２】
しかしながら、対称性があまり保証されない場合には、図２（ａ）（ｂ）に示すような温度計の配置では、基板の温度分布を正確に推定することができない。そのような場合には、温度計を追加して測定位置を増やすことによって対処することができる。
【００７３】
図１２は、このような場合の温度計の配置の一例を示す上面図である。各温度計４２１ｒ〜４２９ｒは、図に示すように十字形に配置されており、それぞれに対応する位置ＰＲ１〜ＰＲ９の温度ＴＲ１〜ＴＲ９を測定する。
【００７４】
ここで、非測定位置における温度は、測定位置ＰＲ１〜ＰＲ９における測定温度ＴＲ１〜ＴＲ９に基づく補間によって推定することが可能である。ここでは、線形補間により、非測定位置ＰＲ１２における温度ＴＲ１２を求める場合について例示する。
【００７５】
(1)まず、中間段階として、位置ＰＲ１０における温度ＴＲ１０と位置ＰＲ１１における温度ＴＲ１１とを求める。ここで、位置ＰＲ１０と位置ＰＲ１１とは、対称中心Ｏからの距離が等しい位置である。
【００７６】
位置ＰＲ１０は位置ＴＲ７と位置ＴＲ３とを１：２に内分する位置であるとすると、温度ＴＲ１０は次の数９によって求められる。
【００７７】
【数９】
このように、直線上の異なる位置における測定温度に基づいて、その直線上の任意の点の温度を推定によって求めることができる。なお、補間（すなわち内分ないしは内挿）ではなく、外挿（すなわち外分）によって非測定位置の温度を求めることも可能である。
【００７９】
同様に、位置ＰＲ１１は位置ＴＲ８と位置ＴＲ４とを１：２に内分する位置であるとすると、温度ＴＲ１１は次の数１０によって求められる。
【００８０】
【数１０】
このようにして、対称中心Ｏからの距離が同一の距離を有する２つの異なる位置における温度ＴＲ１０，ＴＲ１１を求めることができる。
【００８２】
(2)つぎに、位置ＰＲ１２が、位置ＰＲ１０と位置ＰＲ１１とを結ぶ円弧を２：１に内分する点であるとすると、温度ＴＲ１２は、温度ＴＲ１０と温度ＴＲ１１とに基づいて次の数１１によって求められる。
【００８３】
【数１１】
上記のように、対称中心からの距離が同一の距離を有する２つの異なる位置における温度ＴＲ１０，ＴＲ１１に基づいて、その円上の任意の位置の温度を推定によって求めることができる。なお、この際、両測定位置相互間の角度の内分比に応じて求める場合を例示したが、外分比に応じて求めることも可能である。
【００８５】
上記の(1)(2)により、基板上の任意の位置における温度を推定により求めることができるため、基板の温度分布を基板の全面に亙って求めることができる。
【００８６】
図１３は、上記の温度推定方法を一般的に拡張した場合について説明するための図である。すなわち、図１２においては、直交する２本の直線上の異なる複数の位置の温度を測定するように温度計を配置したが、図１３においては、任意の角度で交わる２本の直線Ｌａ、Ｌｂ上の異なる複数の位置の温度を測定するように温度計を配置する場合を例示する。
【００８７】
図１３に示すように、基板上の任意の位置Ｑ（ｒ，θ）の温度Ｓは、一般的に、次の数１２で表され得る。なお、本実施形態における座標値は、たとえば２つの直線Ｌａ、Ｌｂの交点Ｏrを原点とする極座標系で表現する。
【００８８】
【数１２】
ここで、温度Ｓ１は、位置Ｑ１（ｒ，θ１）における温度であり、温度Ｓ２は、位置Ｑ２（ｒ，θ２）における温度である。
【００９０】
また、温度Ｓ１、Ｓ２は、実測値が存在しない場合は、次のようにして推定され得る。たとえば、位置（ｒ１１、θ１）における測定温度Ｓ１１と、位置（ｒ１２、θ１）における測定温度Ｓ１２とに基づいて、次の式１３により、温度Ｓ１を推定することができる。
【００９１】
【数１３】
同様にして、位置（ｒ２１、θ２）における測定温度Ｓ２１と、位置（ｒ２２、θ２）における測定温度Ｓ２２とに基づいて、次の数１４により、温度Ｓ２を推定することができる。
【００９３】
【数１４】
上記の数１２〜数１４によって表されるように、同一半径上の異なる２つの位置Ｑ１，Ｑ２の温度Ｓ１，Ｓ２に基づいて、その半径を有する円上の位置Ｑの温度Ｓを求めることができる。
【００９５】
また、基板の温度分布が所定の直線に関して対称になることが保証される場合には、さらに温度計の数を減らすことが可能である。たとえば、基板の温度分布が図１２の直線Ｌに関して対称になる場合には、温度計４２４ｒ、４２５ｒ、４２８ｒ、４２９ｒを設けずに、温度計４２１ｒ〜４２３ｒ、４２６ｒ、４２７ｒのみを配置し、配置された温度計のみによって温度分布を推定することができる。
【００９６】
一方、基板の温度分布をさらに正確に測定するためには、角度θ方向に温度計の配列を追加して配列することができる。ただし、ある程度の対称性が保証されている場合、所定数以上の温度計を増設しても、温度分布精度の飛躍的な向上には結びつかない。したがって、要求される温度分布精度に応じた適切な数の温度計を配置することが望ましい。
【００９７】
上記のような測定および推定によって求められた温度分布に基づいて、第１実施形態と同様の制御を行うことにより、基板の温度分布を均一にするように基板の加熱処理を行うことができる。
【００９８】
＜Ｅ．その他の変形例＞
上記実施形態においては、各ゾーンに属する複数のランプの出力を求めるにあたって、基準出力指令値をそのまま加熱指令値として出力する場合を示したが、これに限定されない。たとえば、隣接するゾーンの基準出力指令値を参照して、基準出力指令値を修正して各ランプの加熱指令値を求めることなども可能である。
【００９９】
また、上記実施形態において、基板の形状は円形である場合を示したが、基板上の温度分布が上記実施形態で示したような特性を有する分布であればよく、矩形形状などの基板にも本発明を適用することが可能である。
【０１００】
上記実施形態においては、基板を加熱するランプは、基板面の一方の側のみに配置されていたが、基板面の両側にランプを配置して基板に対して加熱処理を行うこともできる。たとえば、第３実施形態における互いに直交する上下２段に配列された直管ランプの平行配列のうち、一方の方向の配列のものを基板面の上方に配置し、他方の配列を基板面の下方に配置することも可能である。
【０１０１】
さらに、上記実施形態においては、得られた温度分布に基づいて、自動的に各ランプの加熱指令値を求めて、基板の温度分布を均一にするような制御が行われる場合を例示した。しかしながら、たとえば、得られた温度分布を表示部６０（図１、図６参照）などに表示し、操作者がこの表示部６０の表示に基づいて、基板の温度分布を手動で調整することも可能である。また、基本的には自動制御を行う場合であっても、表示部６０に表示された温度分布に基づいて、自動制御の際のパラメータ決定にあたって微妙な調整を行うこともできる。
【０１０２】
【発明の効果】
以上のように、請求項１ないし請求項６に記載の基板熱処理装置によれば、基板の複数の測定位置における温度を測定する複数の温度測定手段と、複数の測定位置のうち少なくとも２つの測定位置のそれぞれにおける測定温度に基づいて、基板の非測定位置における温度を推定する温度推定手段とを備えているので、加熱手段の加熱による基板の温度分布をリアルタイムで求めることができる。また、温度を得るべき所望の位置のうちの一部の位置の温度を求めるにあたって実際には温度計を設けずに温度を推定することができるので、より少ない数の温度計で所望の位置の温度を求めることができる。
【０１０４】
また、請求項１ないし請求項６に記載の基板熱処理装置によれば、加熱手段の複数のゾーンの加熱指令値を、複数の温度測定手段による測定温度と温度推定手段による推定温度とに基づいて変更することによって、基板の温度分布を制御する制御手段をさらに備えるので、基板の温度分布を均一化するような制御をより少ない数の温度計でリアルタイムで行うことができる。
【０１０５】
特に、請求項３および請求項４に記載の基板熱処理装置によれば、複数の測定位置は、基板上の特定位置からの距離が互いに異なるので、温度分布が点対称性を有する場合には、さらに少ない数の温度計で効率的に基板の温度分布を求めることができる。
【０１０６】
また特に、請求項５に記載の基板熱処理装置によれば、複数の測定位置は、第１の直線上に配列された第１の測定位置群を含む。したがって、温度分布が線対称性を有する場合に、さらに少ない数の温度計で効率的に基板の温度分布を求めることができる。
【０１０７】
また特に、請求項６に記載の基板熱処理装置によれば、複数の測定位置は、第１の直線に交わる第２の直線上に配列された第２の測定位置群をさらに含む。したがって、より細かい温度分布を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る熱処理装置１の概要構成を示す縦断面図である。
【図２】熱処理装置１における基板支持部２０の下方部分を表す上面図である。
【図３】各ゾーンＺ１〜Ｚ７とそれらに対応する温度測定位置Ｐ１〜Ｐ４とを模式的に示す図である。
【図４】温度計４２１、４２４、４２５の配置を示す図である。
【図５】本制御方式の概略概念図である。
【図６】第２実施形態に係る熱処理装置１Ｂの概要構成を示す縦断面図である。
【図７】温度計の配置の一例を示す上面図である。
【図８】直線型のランプの平行配列が、上下に互いに直交するように配置される、ランプの配置例を示す図である。
【図９】温度計の配置の一例を示す上面図である。
【図１０】図９の一部を拡大した図である。
【図１１】基板上に点対称な温度分布を与えるランプ配列の一例を示す上面図である。
【図１２】温度計の配置の一例を示す上面図である。
【図１３】温度推定方法を一般的に拡張した場合について説明するための図である。
【符号の説明】
１，１Ｂ 基板熱処理装置
１０ チャンバ
１２，１４ 水路
２０，２０Ｂ 基板支持部
２２ 支持リング
２４，２４Ｂ 支持柱
２６ 回転駆動機構
３０ 基板加熱部
３２ ランプ
４０ 温度測定部
４２，４２１〜４２７ 温度計
４５ 温度分布推定部
４６ 温度推定部
５０ 加熱指令値生成部
６０ 表示部
Ｃａ，Ｃｂ 補償器
Ｗ 基板
Ｚ１，Ｚ２，Ｚａ，Ｚｂ ゾーン
Claims (6)
- 基板の熱処理を行う装置であって、
前記基板を加熱する加熱手段と、
前記基板の複数の測定位置における温度を測定する複数の温度測定手段と、
前記複数の測定位置のうち少なくとも２つの測定位置のそれぞれにおける測定温度に基づいて、基板の非測定位置における温度を推定する温度推定手段と、
前記加熱手段の複数のゾーンの加熱指令値を、前記複数の温度測定手段による測定温度と前記温度推定手段による推定温度とに基づいて変更することによって、前記基板の温度分布を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする基板熱処理装置。 - 請求項１に記載の基板熱処理装置において、
前記温度推定手段は、線形補間により前記非測定位置における前記基板の温度を推定することを特徴とする基板熱処理装置。 - 請求項１または請求項２に記載の基板熱処理装置において、
前記複数の測定位置は、前記基板上の特定位置からの距離が互いに異なることを特徴とする基板熱処理装置。 - 請求項３に記載の基板熱処理装置において、
前記基板を支持して回転する基板回転手段、
をさらに備え、
前記基板上の前記特定位置は、前記基板の回転中心であることを特徴とする基板熱処理装置。 - 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の基板熱処理装置において、
前記複数の測定位置は、第１の直線上に配列された第１の測定位置群を含むことを特徴とする基板熱処理装置。 - 請求項５に記載の基板熱処理装置において、
前記複数の測定位置は、前記第１の直線に交わる第２の直線上に配列された第２の測定位置群をさらに含むことを特徴とする基板熱処理装置。
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-
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