JP4021826B2

JP4021826B2 - 基板処理装置及び基板の製造方法

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Publication number: JP4021826B2
Application number: JP2003319467A
Authority: JP
Inventors: 正昭上野
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2003-09-11
Filing date: 2003-09-11
Publication date: 2007-12-12
Anticipated expiration: 2023-09-11
Also published as: JP2005085197A

Description

本発明は、基板処理装置及び基板の製造方法に関するものである。

従来の一般的な基板処理装置の反応室断面を図５に示す。

図５において、複数枚の基板（ウェーハ）３が多段に載置されているボート２は、反応管４内に格納される。反応管４の外側にはヒータ素線（加熱部）１が設けられており、また、反応管（処理室）４の下部には、ガス導入口６及びガス排気口５が設けられている。

次に、基板処理の手順について説明する。まず複数の基板３を、図示しない基板搬送機構により反応管４の下方に位置している状態のボート２に収納した後、図示しないボート昇降機構によりボート２が反応管４内に収納される。この状態で、ガス導入口６から反応ガスを導入しつつガス排気口５から排気を行い、反応管４内を所定の圧力に調整する。

この反応ガスは、ボート２に収納されている基板３面上を通過し、ガス排気口５から排気される。この後、ヒータ素線１の温度を上昇させ、反応管４内を所定の温度まで加熱する。なお、反応管内における圧力値及び温度値は、予め設定されている。

所定の圧力・温度状態となった反応管４内では、加熱された基板３の面上において成膜が進行する。この状態を所定時間保つことにより成膜処理が完了し、反応管４へのボート２収納時とは逆の手順によりボート２を下降させた後、ボート２より基板３を取り出し、一連の基板処理が終了する。

なお、ここで例として挙げた縦型の基板処理装置の場合、基板３の載置範囲は上下方向に長く、基板３の温度には載置位置に応じたむらが生じ易い。よって、ヒータを上下方向に分割し、これらを別個に制御することで基板３が載置される範囲全てに亘って均一な温度状態が確保されるようにしている（図５参照）。

図６において、同装置における制御システムの構成について説明する。同装置の制御システムは、不図示の制御部（ＣＰＵ）、不図示の記憶部（メモリ）、装置操作部１１、温度コントローラ１２、ヒータコントローラ１３および圧力コントローラ１４等を備えている。

装置操作部１１は、装置運用のための操作や各種設定の入力及び保存、自動運転制御等、作業者とのインタフェースとしての役割を有する。

装置操作部１１と通信可能に接続されている温度コントローラ１２は、装置操作部１１から制御目標温度値を受け取り、温度センサ（炉内ＴＣ（第２の温度検出部）７と外部ＴＣ（第１の温度検出部）８）における検出値から現在温度を算出し、制御目標温度値と炉内ＴＣの現在温度とが一致するようにＰＩＤ（比例＋積分＋微分）演算等を行い、制御量としてヒータ出力を算出し、ヒータコントローラ１３に出力する。また、温度履歴を保存する等の処理を行う役割も有している。

ヒータコントローラ１３は、温度コントローラ１２から算出されたヒータ出力を受け取り、ヒータ素線１への出力値算出を行った後、ヒータ素線１へ出力を行う。外部ＴＣはヒータ素線１近傍の温度を検出するものであり、炉内ＴＣは外部ＴＣよりも基板の近傍に位置し、基板近傍の温度を検出するものである。

不図示の制御部は例えばＣＰＵ等であり、不図示の記憶部は例えばＦＲＯＭやＲＡＭ等のメモリである。

これらの構成要素は、例えばＬＡＮや調歩同期等の通信回線を用いる等の方法により通信可能に接続されており、各構成要素間において情報をやり取りする。

基板処理装置においては反応炉の温度条件が極めて重要であり、この温度制御の精度がウェーハ膜の均一性に大きく影響する。このような反応炉の温度制御には、例えば、図７に示すようなＰＩＤカスケード制御方式が用いられる（例えば、特許文献１参照。）。同図では図５に示した構成部分と同一な部分については同一符号を付している。ここでは、目標値としての設定温度が入力されると、炉内ＴＣ７での検出温度と共にＰＩＤ１へと送られ、１次制御系のＰＩＤ処理（炉内ＴＣ７での検出温度と設定温度との比較）が行われる。次に、１次系のＰＩＤ処理により得られた結果を外部ＴＣ８での検出温度と共にＰＩＤ２へと送り、２次制御系のＰＩＤ処理（実測したヒータ素線１近傍の温度とＰＩＤ１での処理結果との比較）を行い、この処理結果をヒータ素線１に入力する。

図８に示す温度グラフは半導体成膜のアニールプロセス時の一例（ウェーハは初期における酸化膜のみの場合）である。比較的低温を所定の目標設定温度として、その設定温度で温度安定させた状態で基板を移載したボート２を反応管４に収納し、アニール処理等を行う。ボート２を反応管（反応炉または処理室に相当）４に収納するとき、基板３やボート２の温度が室温とほぼ同じ状態であるため、炉内温度は低下する。

このような場合、ボートに移載した基板の温度を所定の温度に安定させるため、低下した炉内温度をできるだけ速く回復させるように温度制御する必要がある。
特許第３２６９８９４号公報（第３―７頁、第１図）

アニールプロセスでは、バッチ毎に処理工程が異なるウェーハが投入される。比較的初期プロセスの酸化膜のみがついたウェーハと、多層にプロセス処理されメタル等のパターンが施されたウェーハでは、熱伝達特性が異なるため、従来の温度制御方法では、比較的初期プロセス時だけのウェーハでは炉内ＴＣ温度が図８に示すような良好な状態でも、メタル等のパターンが施されたウェーハでは、図９に示すように炉内温度（炉内ＴＣにより検知される温度）が目標設定温度に対し、オーバーシュートしてしまう。

メタル等のパターンが施されたウェーハは熱伝達率が高く熱を吸収するため、このようなウェーハが投入された場合、成膜が施されていないベアウェーハが投入された場合よりも炉内温度が低下し易い。ＰＩＤ制御では、低下した温度を回復させるため、より多くヒータパワーを出力するようにヒータ素線１を制御する。

ところが、ウェーハを含むヒータ全体の熱容量は、メタル等のパターンによって増加する熱容量に比べてはるかに大きいため、ヒータパワーが過多となりオーバーシュートが発生しやすい。

このオーバーシュートは、ウェーハ上に施された素子の品質を低下させたり、また、設定温度に整定するまでに多くの時間がかかってしまう原因となったりするため、オーバーシュートしないように制御することが必要である。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、オーバーシュートを抑制しつつ、短期間で処理室内の温度を目標温度に安定させることのできる基板処理装置及び基板の製造方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明に係る基板処理装置は、処理室内に収納された基板を加熱する加熱部と、前記加熱部近傍の温度を検出する第１の温度検出部と、前記第１の温度検出部よりも前記基板の近傍に位置し、前記基板近傍の温度を検出する第２の温度検出部と、前記加熱部による加熱処理における前記第１および第２の温度検出部による検出温度に基づいて、次の基板への加熱処理を行う際の第２の温度検出部による検出温度を予測し、前記次の基板への加熱処理を行う際には、前記第２の温度検出部による検出温度の変動の大小に基づいて、前記第２の温度検出部による検出温度の変動が大きいところでは前記予測温度に重みを置き、前記第２の温度検出部による検出温度の変動が小さいところでは前記第２の温度検出部による検出温度に重みを置くように補間して前記第２の温度検出部による検出温度を推定し、該推定された温度により加熱制御する制御部とを備えてなる。
ここで、前記制御部は、ＰＩＤ制御により前記加熱動作を制御し、前記推定された温度と前記次の基板への加熱処理の際に実際に測定した前記第２の温度検出部による検出温度とを比較し、前記推定された温度が前記実際に測定した前記第２の温度検出部による検出温度よりも高い場合には、その温度差に応じてＰＩＤ制御のＰゲインを変更することを特徴とする。
また、本発明は、処理室に収納された基板を加熱する加熱装置と、前記加熱装置近傍の温度を検出する第１の温度検出部と、該第１の温度検出部よりも基板の近傍に位置し基板近傍の温度を検出する第２の温度検出部と、前記加熱装置を制御する制御部とを備える基板処理装置を用いて処理する基板の製造方法であって、基板を前記処理室内に収納する工程と、基板を前記加熱装置により加熱する工程とを備え、前記加熱装置により加熱する工程には、予め測定された前記第１及び第２の温度検出部による検出温度に基づいて次の基板への加熱処理を行う際の第２の温度検出部による検出温度を予測し、前記次の基板への加熱処理を行う際には、前記第２の温度検出部による検出温度の変動の大小に基づいて、前記第２の温度検出部による検出温度の変動が大きいところでは前記予測温度に重みを置き、前記第２の温度検出部による検出温度の変動が小さいところでは前記第２の温度検出部による検出温度に重みを置くように補間して前記第２の温度検出部による検出温度を推定し、該推定された温度により加熱制御することを含むものである。
ここで、前記加熱装置により加熱する工程には、前記制御部が、ＰＩＤ制御により加熱動作を制御し、前記推定された温度と前記次の基板への加熱処理の際に実際に測定した前記第２の温度検出部による検出温度とを比較し、前記推定された温度が前記実際に測定した前記第２の温度検出部による検出温度よりも高い場合には、その温度差に応じてＰＩＤ制御のＰゲインを変更することを特徴とする。

このような構成とすることにより、オーバーシュートを抑制しつつ、短期間で処理室内の温度を目標温度に安定させることのできる基板処理装置及び基板の製造方法を提供することができる。

以上に詳述したように本発明によれば、オーバーシュートを抑制しつつ、短期間で処理室内の温度を目標温度に安定させることのできる基板処理装置及び基板の製造方法を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

本実施の形態において用いられる基板処理装置の構成は、図５に示した従来の構成と同様であるため、装置構成についての説明は割愛する。

本実施の形態による基板処理装置における温度制御は以下のように行われる。

まず、上述したような通常のアニール処理の一連のプロセスにおいて、成膜が施されていないベアウェーハで良好な温度制御状態になるようＰＩＤ調整を行う。そして、このときの外部ＴＣ温度測定値と炉内ＴＣ温度測定値を制御サンプル毎に記録する。

このようにして記録した温度データから、炉内ＴＣ温度と外部ＴＣ温度の関係式（後述）を作成する。

次のアニール処理を行うときには、作成した炉内ＴＣ温度と外部ＴＣ温度の関係式からサンプル周期毎に今回の制御サンプルで予想された炉内ＴＣ温度と実際に測定した炉内ＴＣ温度とを比較し、予測炉内温度の方が高い場合にはその温度値に基づいてＰＩＤ制御のＰゲインを大きくすることで、過度のヒータパワー出力を抑制し、炉内温度の目標設定温度に対するオーバーシュートを防ぎ、目標設定温度に整定するまでの時間を短縮する。

まず、炉内ＴＣ温度の予測方法について説明する。ここでは、外部ＴＣ温度と炉内ＴＣ温度との関係を、一次遅れ特性（一般に、ｋ／（１＋Ｔｓ）で表される：ｋはゲイン、Ｔは時定数）のモデルであわらし、外部ＴＣ温度からの一次遅れ特性モデルを炉内ＴＣ温度が設定温度に回復するときの変化率と等しくなるように設定する。

すなわち、炉内ＴＣ温度の変動が大きいところでは、外部ＴＣ温度からの一次遅れ特性モデルに重みを置き、炉内ＴＣ温度の変動が小さいところでは、炉内ＴＣ温度に重みを置いて、その推定温度が、炉内ＴＣ温度に一致するように関係式を作る。

具体的には、まず、外部ＴＣ温度から炉内ＴＣ温度までの一次遅れモデルを式１のように置く。
ＨＰ（ｔ）＝（Ｋ１＊Ｈ（ｔ−１）＋Ｔ１＊ＨＰ（ｔ−１））／（１＋Ｔ１）・・・（１）
このとき、
ＨＰ（ｔ）：炉内モデル温度
ＨＰ（ｔ−１）：一回前の炉内モデル温度
Ｈ（ｔ−１）：一回前の外部ＴＣ温度
Ｋ１：外部ＴＣ定常温度が炉内ＴＣ定常温度と一致するためのゲイン
Ｔ１：外部ＴＣ温度から炉内ＴＣ温度への時定数
である。

そして、Ｋ１，Ｔ１を調整して、外部ＴＣ温度からの一次遅れ特性モデルを炉内ＴＣ温度が設定温度に回復するときの変化率と等しくなるように設定した炉内モデル温度ＨＰ（ｔ）の例を図１に示す。Ｈ（ｔ−１）の初期値は、ボートの収納のタイミングと同時に外部ＴＣ温度Ｈ（ｔ）にする（図１中２０ｍｉｎのタイミング）。

次に、炉内モデル温度ＨＰ（ｔ）、炉内ＴＣ温度Ｐ（ｔ）との補間から炉内ＴＣ温度推定値ＰＷ（ｔ）を式２のようにして推定する。
ＰＷ（ｔ）＝（ＨＰ（ｔ）＊ａ＋Ｐ（ｔ））／（ａ＋１）・・・（２）
ここで、変化の大きさａは式３のようになる。
ａ＝（Ｐ（ｔ）−Ｐ（ｔ−１））＊Ｃ・・・（３）
なお、Ｃは重みゲイン、Ｐ（ｔ−１）は一回前の炉内ＴＣ温度である。

図２に、上述の式２により算出した炉内ＴＣ温度推定値の例を示す。

次に、成膜が施されていないベアウェーハに対応して調整した式２を用いて、パターンウェーハを移載したときの炉内ＴＣ温度の推定値を図３に示す。ボート収納後の炉内温度の低下による炉内温度ＴＣの変化と炉内ＴＣ温度推定値の変化とが一致しておらず、この差が、間接的にウェーハの違いを示している。

次に、上述の式２を用いた温度制御方法について説明する。上述の式２によってサンプル周期毎に今回の制御サンプルで予想された炉内ＴＣ温度の推定値と、実際に測定した炉内ＴＣ温度とを比較する。

炉内ＴＣ温度の推定値の方が実際の炉内ＴＣ温度よりも高い場合には、その差に応じてＰＩＤ制御のＰゲインを大きくすることで、過度のヒータパワー出力を抑制し、オーバーシュートを防ぎ、設定温度に整定するまでの時間を短縮する。

ここで、ＰＩＤ制御の中でＰゲインは制御偏差の傾きであり、微分（比例帯）となるため、瞬間ごとの制御を行い易い。式４は、Ｐ定数を変更する際に用いる式である。
ＰＢ’＝ＰＢ＊（Ｅ（ｔ）／（Ｅ（ｔ）−ＥＰ（ｔ）））＊ｂ・・・（４）
このとき、
ＥＰ（ｔ）＝ＰＷ（ｔ）− Ｐ（ｔ）
Ｅ（ｔ）：制御偏差（設定値−Ｐ（ｔ））
ＥＰ（ｔ）：予測炉内温度と炉内ＴＣ温度との差
ＰＢ：ＰＩＤ制御のＰ定数（比例帯）
ＰＢ’：変更後のＰ定数
ｂ：比例定数（任意に設定可能）
である。

図４は、上述のようにして求めたＰＢ’をＰ定数として温度制御を行った場合の温度変化を示す図である。同図に示すように、Ｐ定数をＰＢ’に変更する前の温度変化（改善前）に比べ、Ｐ定数をＰＢ’に変更した後（改善後）の炉内ＴＣ温度の方がオーバーシュートが少なくなっていることが分かる。この改善前と改善後の結果をとあるタイミングにおける数式に表すと以下のようになる。ＰＢが３５０℃で、ある地点（ｔ１）において、Ｅ（ｔ１）が３０℃、ＥＰ（ｔ）が５℃であるとする。このとき、改善前のＰＩＤ制御では、Ｐの出力値は、
Ｐ（出力）＝（１００[％]／３５０[℃]）×３０[℃]＝８．６[％]となるが、
本方式では、ＰＢ’＝３５０×３０／（３０−５）＊１（ｂ−１にて算出）
＝４２０
従って、Ｐ’（出力）＝（１００／４２０）×３０[℃]＝７．１[％]となり、
出力値は減少することとなる。

このように、ボート収納中はＰ定数を式４で示されているＰＢ’にすることにより、過度のヒータパワー出力を抑制し、オーバーシュートを防ぎ、設定温度に整定するまでの時間を短縮することが可能となる。

以上述べたように、本発明に係る基板処理装置は、処理室内に収納された基板を加熱する加熱部と、加熱部近傍の温度を検出する第１の温度検出部と、第１の温度検出部よりも基板の近傍に位置し、基板近傍の温度を検出する第２の温度検出部と、加熱部による加熱処理における所定のタイミングでの第１および第２の温度検出部による検出温度に基づいて、次に加熱処理を行う基板の所定のタイミングでの処理室内の温度を予測する（すなわち、反応炉内部に熱電対を挿入した炉内熱電対（炉内ＴＣ）から読み取れる炉内ＴＣ温度とヒータ側面に挿入した外部熱電対から読み取れる外部ＴＣ温度から、次のサンプリング時に予想される炉内温度を予測し得る関連式を予め求める）とともに、予測した温度に基づいて加熱部による次の基板の加熱動作を制御する制御部とを備えてなる構成となっている。

すなわち、制御部により所定のタイミングの処理室内の温度と次の基板を加熱するタイミングの処理室内の予測温度とを比較し、その差を予測温度にフィードバックする制御を行っている。なお、所定のタイミングの処理室内の温度と次の基板を加熱するタイミングの処理室内の予測温度との差に基づいて、ＰＩＤ制御におけるＰゲインを用いて制御を行うことも可能である。

また、本発明の実施の形態として、処理室に収納された基板を加熱する加熱装置と、加熱装置の近傍に位置し温度を検出する第１の検出手段と、第１の検出手段よりも基板の近傍に位置し温度を検出する第２の検出手段と、加熱装置を制御する制御部とを備える基板処理装置を用いて処理する基板の製造方法であって、基板を処理室内に収納する工程と、基板を加熱装置により加熱する工程と、所定のタイミングにおける第１の検出手段の測定する工程と、所定のタイミングにおける第２の検出手段の測定する工程と、所定のタイミングでの次の基板を加熱するタイミングの処理室内の温度を予測する関係式を求める工程とを有する基板の製造方法を提供することができる。

上述のように、本実施の形態における基板処理装置は不図示の記憶部を備えており、ここでの基板の製造方法は、不図示の制御部によって不図示の記憶部に格納されているプログラムを実行することによって実現される。

さらに、上述のような基板の製造方法において、所定のタイミングの処理室内の温度と次の基板を加熱するタイミングの処理室内の予測温度とを比較する工程と、比較した差を予測温度にフィードバックする工程を有するようにすることもできる。もちろん、上述のような基板の製造方法において、所定のタイミングの処理室内の温度と次の基板を加熱するタイミングの処理室内の予測温度とを比較する工程と、比較した差をＰＩＤ制御におけるＰゲインを用いて制御する工程を有するようにしてもよい。

上述のような構成によれば、外部ＴＣ温度の予測式によりウェーハの種類の違いを原因とするオーバーシュートの発生を抑制することができ、短期間で所定の温度に安定させることができる。すなわち、オーバーシュートを抑制しつつ、短期間で処理室内の温度を目標温度に安定させることのできる基板処理装置を提供することができる。

炉内モデル温度ＨＰ（ｔ）の例を示す図である。式２により算出した炉内ＴＣ温度推定値の例を示す図である。パターンウェーハを移載したときの炉内ＴＣ温度の推定値を示す図である。本実施の形態における制御方法による温度制御を行った場合における温度変化を示す図である。従来の一般的な基板処理装置の反応室断面を示す図である。本実施の形態における制御システムの構成について説明するための図である。ＰＩＤカスケード制御方式について説明するための図である。半導体成膜のアニールプロセス時の一例としての温度グラフである。メタル等のパターンが施されたウェーハにおける炉内温度の変化を示す図である。

符号の説明

１ヒータ、２ボート、３基板、４反応管、５ガス排気口、６ガス導入口、７炉内ＴＣ、８外部ＴＣ。

Claims

処理室内に収納された基板を加熱する加熱部と、
前記加熱部近傍の温度を検出する第１の温度検出部と、
前記第１の温度検出部よりも前記基板の近傍に位置し、前記基板近傍の温度を検出する第２の温度検出部と、
前記加熱部による加熱処理における前記第１および第２の温度検出部による検出温度に基づいて、次の基板への加熱処理を行う際の第２の温度検出部による検出温度を予測し、前記次の基板への加熱処理を行う際には、前記第２の温度検出部による検出温度の変動の大小に基づいて、前記第２の温度検出部による検出温度の変動が大きいところでは前記予測温度に重みを置き、前記第２の温度検出部による検出温度の変動が小さいところでは前記第２の温度検出部による検出温度に重みを置くように補間して前記第２の温度検出部による検出温度を推定し、該推定された温度により加熱制御する制御部と、
を備えてなる基板処理装置。
前記制御部は、ＰＩＤ制御により前記加熱制御を行い、前記推定された温度と前記次の基板への加熱処理の際、実際に測定した前記第２の温度検出部による検出温度とを比較し、前記推定された温度が前記実際に測定した前記第２の温度検出部による検出温度よりも高い場合には、その温度差に応じてＰＩＤ制御のＰゲインを変更することを特徴とする請求項１に記載の基板処理装置。
処理室に収納された基板を加熱する加熱装置と、前記加熱装置近傍の温度を検出する第１の温度検出部と、該第１の温度検出部よりも基板の近傍に位置し基板近傍の温度を検出する第２の温度検出部と、前記加熱装置を制御する制御部とを備える基板処理装置を用いて処理する基板の製造方法であって、
基板を前記処理室内に収納する工程と、
基板を前記加熱装置により加熱する工程とを備え、
前記加熱装置により加熱する工程には、予め測定された前記第１及び第２の温度検出部による検出温度に基づいて次の基板への加熱処理を行う際の第２の温度検出部による検出温度を予測し、前記次の基板への加熱処理を行う際には、前記第２の温度検出部による検出温度の変動の大小に基づいて、前記第２の温度検出部による検出温度の変動が大きいところでは前記予測温度に重みを置き、前記第２の温度検出部による検出温度の変動が小さいところでは前記第２の温度検出部による検出温度に重みを置くように補間して前記第２の温度検出部による検出温度を推定し、該推定された温度により加熱制御することを含む基板の製造方法。
前記加熱装置により加熱する工程には、前記制御部が、ＰＩＤ制御により加熱動作を制御し、前記推定された温度と前記次の基板への加熱処理の際に実際に測定した前記第２の温度検出部による検出温度とを比較し、前記推定された温度が前記実際に測定した前記第２の温度検出部による検出温度よりも高い場合には、その温度差に応じてＰＩＤ制御のＰゲインを変更することを特徴とする請求項３に記載の基板の製造方法。