JP4358915B2

JP4358915B2 - 半導体製造システム

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Publication number: JP4358915B2
Application number: JP06822597A
Authority: JP
Inventors: 和夫田中; 稔中野; 正昭上野
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 1997-03-21
Filing date: 1997-03-21
Publication date: 2009-11-04
Anticipated expiration: 2017-03-21
Also published as: JPH10270454A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造システムに係り、特にヒータを備えた加熱炉内に設置した反応管の温度制御を行う半導体製造システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、従来の半導体製造システムの温度制御装置の構成を示す縦断面図である。この図５において、温度制御装置は、加熱炉として例えば電気炉１には、ヒータ２及びこのヒータ２の温度を測定するための第１の熱電対３が備えられている。また、電気炉１には、石英等からなる反応管４が納められており、この反応管４の近傍には反応管４の温度を測定するための第３の熱電対５が設けられている。この反応管４の温度が目標値となるように、第１の熱電対３によってヒータ２の温度を測定しつつヒータ２に供給する電力を温度調節器８が調節する。
【０００３】
一般に、半導体製造装置は、安全性の向上を目的として電気炉１の温度制御を行う温度調節器８とは、完全に独立した構成の過温保護器９を備えており、これによって電気炉１の異常温度を検知できるように第２の熱電対６によって温度を測定し、正常範囲を超えた温度を検知すると、温度調節器８の機能を一切介さずにヒータ２への供給電力をオフにするように構成されている。
【０００４】
上述の図５の温度制御装置においては、温度制御に使用する熱電対が、断線、劣化などによって使用不能又は性能劣化が発生した場合に温度制御が不可能となることがある。
【０００５】
そこで、別の従来例として、図６に示すような温度制御装置の構成を採ることができる。すなわち、上述の問題を解決するためにヒータ２の温度を測定するための第１の熱電対３の近傍に予備の熱電対１０を設ける構成である。これによって、第１の熱電対３に異常が発生して使用不能になっても、この予備の熱電対１０を使用して温度調節器８が温度制御を継続することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のように予備の熱電対１０を設けることは、電気炉１の構造を複雑にさせることとなり、温度制御装置の製造工数が増大すると共に部品コストや装置コストを高めることとなる。また、熱電対は、高温になるにしたがい、内部の熱（温）接点などがいたみ変質し易くなり、これによって寄生熱起電力が発生し易くなり温度誤差が増加することもある。
【０００７】
このようなことから、温度制御管理に関する機能性が高く信頼性を向上させ、小型化を図った半導体製造システムの温度制御装置の実現が要請されている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
そこで、本願の発明は、内部に積層された複数のウェーハを加熱処理するための反応管と該反応管を加熱するヒータとを有する加熱炉を備え、上記ヒータの温度を測定して上記ヒータの温度調節用に使用する上記ヒータの縦方向に配置された複数の第１の温度センサと、上記ヒータの温度を測定して上記ヒータの異常加熱検知用に使用する上記ヒータの縦方向に配置された複数の第２の温度センサとを有し、上記第１の温度センサにより測定される温度に応じて上記ヒータへの電力供給を制御するとともに、上記第２の温度センサにより測定される温度から異常加熱が検出されたときに上記ヒータへの電力供給を強制的に停止させる半導体製造システムにおいて、以下の特徴的な構成で上述の課題を解決した。
【０００９】
すなわち、本願発明は、上記反応管内に積層された複数のウェーハを上記ヒータにより加熱処理している際に、上記複数の第１の温度センサのうちの任意の第１の温度センサが故障であると認識したときは、上記故障であると認識された第１の温度センサに代えて、該第１の温度センサの近傍に設けられた第２の温度センサのみを上記ヒータの温度調節用に使用して、上記第１の温度センサの近傍に設けられた第２の温度センサにより測定される温度に応じて上記ヒータへの電力供給の制御を継続させるとともに、上記複数の第２の温度センサにより測定される温度から異常加熱が検出されたときに上記ヒータへの電力供給を強制的に停止させる機能を保持させ、上記故障であると認識されなかった第１の温度センサは、そのまま上記ヒータの温度調節用に使用して、上記第１の温度センサにより測定される温度に応じて上記ヒータへの電力供給の制御を継続させる制御手段を備えた。
【００１０】
このように構成することで、ヒータの温度調節用に設けられた温度センサ又はヒータの異常加熱検知用の温度センサのいずれかが故障しても、他方の温度センサを使用して稼働を中断することなく継続してヒータに対する温度調節制御と異常加熱検知とを行うことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に本発明の好適な実施の形態を図面を用いて説明する。
【００１５】
「第１の実施の形態」：
本第１の実施の形態においては、電気炉内の温度を制御する温度調節器と、電気炉内の異常温度を検知する過温保護器とを備えた半導体製造システム（たとえば、ＣＶＤシステム）の温度制御装置において、温度制御に使用する温度センサが断線又は劣化などによって使用不能又は性能悪化が発生した場合に、この温度センサを温度調節器とは独立した構成である過温保護器の温度センサへ自動的に切り替えて温度制御を行うように構成する。
【００１６】
また、通常、ヒータ近傍に取り付けられる過温保護器の温度センサを、反応管近傍にも取り付けるように構成する。
【００１７】
図１は、本第１の実施の形態の半導体製造装置の温度制御装置の構成図である。この図１において、電気炉１の中には、ヒータ２の温度を測定するための第１の熱電対３と、第３の熱電対５と、第２の熱電対６とが内蔵されており、第１の熱電対３は温度調節用に設けられており、第３の熱電対５は、反応管４の温度を測定するように設けられており、第２の熱電対６は、ヒータ２の異常加熱による異常温度を測定するように設けられている。すなわち、第１の熱電対３と第２の熱電対６とは、ヒータ２の温度を測定するために設けられており、両方の熱電対は比較的近傍に設置されている。
【００１８】
そこで、本第１の実施の形態においては、温度調節用に専門的に設けられている第１の熱電対３が使用不能になった場合においても、ヒータ２の温度を継続して測定し、しかもこの測定温度信号を温度調節に使用できるように、温度調節器８Ａが使用できる熱電対を切り替えることができるように切替回路１１を設けた。つまり、この切替回路１１は、第１の熱電対３と第２の熱電対６とから測定温度信号を取り込み、通常は、第１の熱電対３からの温度測定信号を温度調節器８Ａに与えるように温度調節器８からの制御によって動作し、温度調節器８Ａからの判断によって第１の熱電対３の異常が検知されると、第２の熱電対６からの測定温度信号を温度調節器８に与えるように動作する。なお、第２の熱電対６からの測定温度信号は、従来と同様に過温保護器９に与えているので、異常に高い温度が検出されるとヒータ２に対する電力供給を電力供給制御回路１２によってオフさせる。
【００１９】
この切替回路１１は、図示のように機能的には、温度調節器８Ａからの制御信号によって切替スイッチ（たとえば、リレー回路構成）が択一的に切り替えられれば良いのであるから、回路構成は非常に簡単である。
【００２０】
温度調節器８Ａは、反応管４の温度を測定するための第３の熱電対５から測定温度信号を取り込み従来と同様に反応管４の温度が目標の温度になるようにヒータ２に対する電力供給制御を電力供給制御回路１２によって行うと共に、特徴的には、切替回路１１からの第１の熱電対３の測定温度信号を監視し、第１の熱電対３から正常な測定温度信号を検出できなくなると、第１の熱電対３に異常が起きていると判断して、切替回路１１に対して切替支持を与える。すなわち、切替回路１１に対して切替制御信号を与え、取り込む測定温度信号を第１の熱電対３から第２の熱電対６に切り替えるようにさせる。これによって、切替回路１１から第２の熱電対６からの測定温度信号が温度調節器８Ａに与えられる。この温度調節器８Ａは、第２の熱電対６からの測定温度信号を受信し、ヒータ２の温度を監視することができる。
【００２１】
このようにして、第１の熱電対３が故障して使用不能になったとしても、この異常を温度調節器８Ａが認識し、切替回路１１に対して切替制御信号を与え、第２の熱電対６からの測定温度信号を温度調節器８Ａに与えさせ、温度調節器８Ａにおいて中断することなくヒータ２の温度監視を続けることができる。
【００２２】
また、温度調節用の第１の熱電対３ａだけが故障している場合は、その近傍に配置されている過温保護用の第２の熱電対６ａだけを切り替えれば良いのであって、他の正常な温度調節用の第１の熱電対３ｂ、３ｃ、３ｄを切り替える必要がないので、正常な第１の熱電対を有効に使用することができる。
【００２３】
（本発明の第１の実施の形態の効果）：以上の本発明の第１の実施の形態によれば、切替回路１１を設け、温度調節器８Ａを改良して、切替回路１１に第１の熱電対３の測定温度信号と第２の熱電対６の測定温度信号とを取り込むように構成したことで、ヒータ２の温度調節用の第１の熱電対３が使用不能になったときには自動的に温度調節器８Ａが判断して、切り替え制御を行い、第２の熱電対６からの測定温度信号を温度調節用に使用することができるので、従来に比べて非常に機能的でしかも信頼性の高い温度制御装置を実現することができる。また、切替回路１１を新たに設け、温度調節器を少し改良するだけであるので、非常に簡単な構成で実現することができる。
【００２４】
「第２の実施の形態」：
上述の第１の実施の形態においてはヒータ２の温度を監視するための第１の熱電対３の近傍に異常温度検知用の第２の熱電対６を配置している例で、第１の熱電対３が使用不能の場合に、近傍の第２の熱電対６を使用して温度調節用の測定温度信号を得るように構成したが、本第３の実施の形態は、反応管４の温度を監視している第３の熱電対５に対して、第２の熱電対６を反応管４の異常温度を検知するために第３の熱電対５の近傍に配置し、しかも、第３の熱電対５が温度調節器８Ａで使用不能と判断すると、切替制御信号を生成して第２の熱電対で測定した測定温度信号を使用してヒータ２の温度調節を行う。
【００２５】
そこで、図２は、本第２の実施の形態の半導体製造システムの温度制御装置の構成図である。この図２に示すように、切替回路１１Ａを配置し、切替回路１１Ａで選択した測定温度データを温度調節器８Ａに与え、第３の熱電対５が使用不能と判断されると、切替制御信号を生成し切替回路１１Ａに与える。切替回路１１Ａは、第３の熱電対５からの測定温度信号を取り込むと共に第２の熱電対６からの測定温度信号も取り込み、温度調節器８Ａからの制御信号によって択一的に選択し温度調節器８Ａに与える。
【００２６】
すなわち、温度調節器８Ａは、通常は、第３の熱電対５からの測定温度信号を切替回路１１Ａから取り込み、第３の熱電対５が故障であると判断すると、切替制御信号を与えて、切替回路１１Ａから第２の熱電対６からの測定温度信号を取り込む。
【００２７】
（本発明の第２の実施の形態の効果）：以上の本発明の第２の実施の形態によれば、反応管４の温度を測定するための第３の熱電対５が故障になった場合に、切り替えを行い反応管４の異常温度を検出するための第２の熱電対６から測定温度信号を取り込むことができるので、第３の熱電対５の故障によって中断することなくヒータ２に対する温度調節を行うことができる。
【００２８】
「第３の実施の形態」：
上述の実施の形態においては、半導体製造システムの温度制御装置の温度調節器８Ａと過温保護器９とを備えている。しかし、本第３の実施の形態においては、更に機能を高めそして装置の小型化を図る。そこで、温度調節器８Ａと過温保護器９とを一体化することで更に装置の小型化を図る。
【００２９】
図３は、本第３の実施の形態の半導体製造システムの温度制御装置の構成図である。この図３において、温度制御装置は、主に、電気炉１と、反応管４と、温度調節・過温保護コントローラ７とから構成されており、電気炉１内には、ヒータ２とこのヒータ２に対する電力供給制御回路１２とヒータ２の温度調節を目的として温度測定を行う第１の熱電対３とヒータ２の過温保護のために温度測定を行う第２の熱電対６とが設置されている。なお、ヒータ２の各部の温度を測定するために第１の熱電対３と第２の熱電対６とはそれぞれ複数配置されている。また、反応管４の温度を測定するための第３の熱電対５が反応管４の近傍に縦方向に複数配置されている。
【００３０】
温度調節・過温保護コントローラ７は、温度調節用の第１の熱電対３からの測定温度信号と、過温保護用の第２の熱電対６からの測定温度信号と、反応管４の温度を監視するための第３の熱電対５からの測定温度信号とを取り込み、ヒータ２及び反応管４の温度調節とヒータ２の過温保護動作とを行う。この温度調節・過温保護コントローラ７は、具体的には、温度調節用の第１の熱電対３からの測定温度信号を監視し、ヒータ２の温度を最適な温度にさせるようにヒータ２に対する電力供給制御を電力供給制御回路１２へ行わせる。また、反応管４の温度を監視するための第３の熱電対５からの測定温度信号も監視し、反応管４の温度が最適な温度になるようにヒータ２に対する電力供給制御を電力供給制御回路１２へ行わせる。更に、過温保護用の第２の熱電対６からの測定温度信号も監視し、所定の温度よりも高くなった場合にヒータ加熱温度異常と判断してヒータ２に対する電力供給を強制的にオフさせる制御を行う。
【００３１】
そして、温度調節・過温保護コントローラ７は、特徴的には、測定温度信号から第１の熱電対３が故障であると判断すると、第１の熱電対３を温度調節用に使用することをやめ、代わりに過温保護用の第２の熱電対６からの測定温度信号を温度調節用の測定温度信号として使用し、ヒータ２への電力供給制御を行う。
【００３２】
また、温度調節・過温保護コントローラ７は、たとえば、温度調節用の第１の熱電対３ａが故障したときに、その近傍に配置されている第２の熱電対６ａを使用するように選択を切り替えれば良いのであって、その他の正常な温度調節用の第１の熱電対３ｂ、３ｃ、３ｄは切り替える必要がない。このため正常な第１の熱電対と第２の熱電対６とを有効に使用することができる。
【００３３】
さらに、異常発生直前の熱電対の測定温度と、切替時における正常な熱電対の測定温度との間に大きな差がある場合があり、これが温度制御性能の悪化の原因となりかねない。そこで、熱電対の異常が発生し、一方の正常な熱電対の測定温度を使用する際には、以下のような演算によって補正値を求める必要がある。すなわち、
補正値＝（異常発生直前の熱電対の測定温度）−（切替時の正常な熱電対の測定温度）
である。
【００３４】
そして、切替時以降、この補正値を正常な熱電対の測定温度に加えることによって、温度制御性能が悪化することなく、異常発生以前と同等の温度制御が可能となる。
【００３５】
図４は、本第３の実施の形態の半導体製造システムの温度制御装置の温度調節・過温保護コントローラ７の具体的な構成図である。この図４において、温度調節・過温保護コントローラ７は、主に、ＣＰＵ４１と、Ａ／Ｄコンバータ４２、４３と、チャネル切替回路４４、４５と、設定値回路４６ａ〜４６ｄと、比較回路４７ａ〜４７ｎとから構成されている。
【００３６】
チャネル切替回路４４は、過温保護用の熱電対６ａ〜６ｄからの測定温度信号を取り込むと共にそれぞれの熱電対に対応した異常温度を判定するための基準となる設定温度値を設定出力している設定値回路４６ａ〜４６ｄからの設定値とを取り込み、ＣＰＵ４１からの命令によってチャネルごとに選択しＡ／Ｄコンバータ４２に与える。Ａ／Ｄコンバータ４２は、チャネル切替回路４４から与えられる過温保護用の熱電対６ａ〜６ｄからの測定温度信号と温度設定値とをＡ／Ｄ
（アナログ／デジタル）変換してデジタル測定温度データをＣＰＵ４１に与える。
【００３７】
チャネル切替回路４５は、ヒータの温度調節用の第１の熱電対３ａ〜３ｄと反応管の温度調節のための第３の熱電対５ａ〜５ｄとの測定温度信号を取り込み、ＣＰＵ４１からの命令によって一つずつ選択しＡ／Ｄコンバータ４３に与える。Ａ／Ｄコンバータ４３は、チャネル切替回路４５から与えられる測定温度信号をＡ／Ｄ変換してデジタル測定温度データをＣＰＵ４１に与える。
【００３８】
ＣＰＵ４１は、マイクロプロセッサやプログラムＲＯＭやワークＲＡＭやインタフェース回路などから構成され、Ａ／Ｄコンバータ４２からのデジタル測定温度データを取り込み、過温保護用の第２の熱電対６ａ〜６ｄの温度を認識する。また、ＣＰＵ４１は、Ａ／Ｄコンバータ４３からのデジタル測定温度データも取り込み、ヒータ２の温度調節用の第１の熱電対３ａ〜３ｄの温度と、反応管４の温度調節のための第３の熱電対５ａ〜５ｄの温度とを認識する。これらの温度が最適値になっていない場合は、ヒータ２に対する電力供給を制御するための制御信号を生成し電力供給制御回路１２に与えるため出力する。さらに、ＣＰＵ４１は、比較回路４７ａ〜４７ｄのいずれかから異常温度アラーム信号を与えられると、ヒータ２の電力供給を強制的にオフさせるための制御信号を発生し電力供給制御回路１２に与える。これによって、過温保護用の第２の熱電対６ａ〜６ｄのいずれかに過温異常が発生すると、ヒータ２に対する電力供給を強制的にオフさせヒータ２の異常加熱を防止することができる。
【００３９】
更に、ＣＰＵ４１は、第１の熱電対３ａ〜３ｄのいずれかが故障であると判断すると、その第１の熱電対の近傍に配置されている第２の熱電対６ａ〜６ｄのいずれかからの測定温度信号を使用して電力供給制御回路１２に対する電力供給の制御を継続する。たとえば、第１の熱電対３ａが故障したのであれば、第２の熱電対６ａを使用してヒータ２に対する電力供給の制御を継続する。
【００４０】
比較回路４７ａ〜４７ｄは、過温保護用の第２の熱電対６ａ〜６ｄのそれぞれに対して設定値温度を超えているか否かを比較する。この比較で過温保護用の第２の熱電対６ａ〜６ｄの温度が設定値を超えている場合は、異常温度アラーム信号を生成して出力すると共にこの異常温度アラーム信号を電力供給制御回路１２に与えて、電力供給停止の制御を行う。設定値回路４６ａ〜４６ｄは、それぞれ過温保護用の第２の熱電対６ａ〜６ｄに対応した異常温度を判定するための設定値を設定出力しチャネル切替回路４４と比較回路４７ａ〜４７ｄとに与えている回路である。
【００４１】
（動作）：上述の図４の動作を説明する。まず、ヒータ２の温度調節用の第１の熱電対３ａ〜３ｄからの測定温度信号と、反応管４の温度調節用の第３の熱電対５ａ〜５ｄからの測定温度信号と、ヒータ２の過温保護用の第２の熱電対６ａ〜６ｄからの測定温度信号とは同時期に温度調節・過温保護コントローラ７に与えられる。そして、第１の熱電対〜第３の熱電対までのそれぞれの測定温度をＣＰＵ４１が認識する。ここで、ＣＰＵ４１は、たとえば、第１の熱電対３ｂが故障している場合は、第２の熱電対６ｂを使用してヒータ２に対する電力供給の制御を継続する。また、第２の熱電対６ｃが故障している場合は、第１の熱電対３ｃを使用して過温保護のための電力供給の制御を行う。また、ヒータ２に対する電力供給の制御は、第３の熱電対５ａ〜５ｄからの測定温度信号によっても行われる。
【００４２】
（本発明の第３の実施の形態の効果）：以上の本発明の第３の実施の形態によれば、第１の熱電対３ａ〜３ｄのいずれが故障して使用できなくなっても、第２の熱電対６ａ〜６ｄのいずれかを使用して温度調節のためのヒータ２への電力供給制御を行うことを継続できる。また、逆に第２の熱電対６ａ〜６ｄのいずれが故障して使用できなくなっても、第１の熱電対３ａ〜３ｄのいずれかを使用して過温保護のための電力供給停止の制御を行う。このようにして、温度制御装置の温度制御を管理する上での機能性を高くすることができ、しかも稼働を停止させることなく信頼性を向上させ、簡単な構成で小型化を図ることができる。
【００４３】
（他の実施の形態）：（１）なお、上述の第１実施の形態及び第２の実施の形態においては、切替回路１１又は１１Ａをヒータ２側又は反応管４の一方に配置したが、両方に設けることも好ましい。
【００４４】
（２）また、上述の第３の実施の形態においては、第１の熱電対３が故障になった場合に、第２の熱電対６を使用するように構成したが、他の構成として、反応管４の近傍にも過温保護用の第４の熱電対を設け、反応管４の温度調節用の第３の熱電対５が故障であると判断した場合に、代わりに過温保護用の第４の熱電対を使用して反応管４の温度調節用の測定温度信号を得るように構成することも好ましい。
【００４５】
【発明の効果】
以上述べたように本発明は、ヒータの温度調節用に使用する第１の温度センサ及びヒータの異常加熱を検知するための第２の温度センサからの測定温度信号から判断し、いずれかの温度センサが故障であると認識したときに、他方の温度センサからの測定温度信号を使用してヒータへの電力供給の制御を継続することで、装置の温度制御を管理する上での機能性を高くすることができ、しかも稼働を停止させることなく信頼性を向上させ、簡単な構成で小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の半導体製造システムの温度制御装置の構成図である。
【図２】第２の実施の形態の半導体製造システムの温度制御装置の構成図である。
【図３】第３の実施の形態の半導体製造システムの温度制御装置の構成図である。
【図４】第３の実施の形態の半導体製造システムの温度制御装置の温度調節・過温保護コントローラ７の具体的な構成図である。
【図５】従来の半導体製造システムの温度制御装置の構成を示す縦断面図である。
【図６】別の従来例の半導体製造システムの温度制御装置の構成を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１…電気炉（加熱炉）、２…ヒータ、３…第１の熱電対、４…反応管、５…第３の熱電対、６…第２の熱電対、７…温度調節・過温保護コントローラ、８Ａ…温度調節器、９…過温保護器、１１、１１Ａ…切替回路、１２…電力供給制御回路。

Claims

内部に積層された複数のウェーハを加熱処理するための反応管と該反応管を加熱するヒータとを有する加熱炉を備え、
上記ヒータの温度を測定して上記ヒータの温度調節用に使用する上記ヒータの縦方向に配置された複数の第１の温度センサと、
上記ヒータの温度を測定して上記ヒータの異常加熱検知用に使用する上記ヒータの縦方向に配置された複数の第２の温度センサとを有し、
上記第１の温度センサにより測定される温度に応じて上記ヒータへの電力供給を制御するとともに、上記第２の温度センサにより測定される温度から異常加熱が検出されたときに上記ヒータへの電力供給を強制的に停止させる半導体製造システムにおいて、
上記反応管内に積層された複数のウェーハを上記ヒータにより加熱処理している際に、
上記複数の第１の温度センサのうちの任意の第１の温度センサが故障であると認識したときは、上記故障であると認識された第１の温度センサに代えて、該第１の温度センサの近傍に設けられた第２の温度センサのみを上記ヒータの温度調節用に使用して、上記第１の温度センサの近傍に設けられた第２の温度センサにより測定される温度に応じて上記ヒータへの電力供給の制御を継続させるとともに、上記複数の第２の温度センサにより測定される温度から異常加熱が検出されたときに上記ヒータへの電力供給を強制的に停止させる機能を保持させ、
上記故障であると認識されなかった第１の温度センサは、そのまま上記ヒータの温度調節用に使用して、上記第１の温度センサにより測定される温度に応じて上記ヒータへの電力供給の制御を継続させる制御手段を備えたことを特徴とする半導体製造システム。