JP4568089B2 - 温度制御システムを備えた熱処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、広くは、半導体基板を処理するための熱処理装置に関し、より詳しくは、熱反応炉およびその温度制御システムに関する。

例えばガスによるクッション上に基板を浮遊させるなどにより、基板に直接機械的に接触することなく、基板を浮遊させつつ基板を処理できる反応炉が、半導体の処理のために比較的最近に開発されている。これらの反応炉は、浮遊基板反応炉と呼ぶことができる。このような反応炉は、Ｌｅｖｉｔｏｒ（登録商標）という商品名で、オランダのビルトーベンにあるエー・エス・エム・インターナショナル社（ＡＳＭ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｎ．Ｖ．）から市販されている。

米国特許第６，１８３，５６５号明細書にも記載されているこのＬｅｖｉｔｏｒ（登録商標）炉では、ウエハなどの基板が、基板の両側に位置して加熱されている比較的大きな２つの反応炉ブロックから発せられる対向する２つのガス流によって支持される。好ましくは、この反応炉ブロックのそれぞれが、処理の際に基板へと熱を伝えるため、加熱されている部位、すなわち加熱炉本体を有している。加熱炉本体は、好ましくは、反応炉ブロックの境界面の一部を構成している。境界面は基板に面するように向けられており、好ましくは事実上平坦である。通常は、各ブロックと対応する基板表面との間に、約１ｍｍを下回る小さな間隙が維持される。例えば熱処理や高温への暴露など基板が処理されるとき、この小さな間隙が、ガスを通じての伝導によって、加熱炉本体から基板への迅速な熱伝達をもたらす。Ｌｅｖｉｔｏｒ（登録商標）炉のような反応炉の利点は、反応炉の比較的大きな反応炉ブロックが熱の「フライホイール」として機能して、きわめて安定な温度および再現性をもたらすという点にある。

さらに、熱処理の際に基板に機械的に接触することがないため、基板の加熱がきわめて均一である。これに比べ、搬送アームが基板を反応炉内へと運び、処理の間も基板を保持し続ける場合、搬送アームの支持ツメによる機械的接触が存在し、支持ツメが加熱を要する余分な熱質量となるため、局所的に処理の際の温度の上昇速度が遅くなり、したがって、処理の際に支持ツメが基板と接触している点に温度の低いスポットが生じる可能性がある。一方、基板が反応炉へと運ばれ、そこで処理後も反応炉内に残る支持ピンへと引き渡される場合、前のプロセスによってすでに支持ピンが加熱されているため、処理の際の支持ピンによる機械的接触によって、接触点において基板上に温度の高いスポットが生じる可能性がある。好都合なことに、処理において基板を浮遊させることにより、これら低温スポットまたは高温スポットを避けることができ、結晶学的なズレを引き起こしかねない熱応力も、回避することができる。

浮遊基板反応炉、およびそのような反応炉を使用して一連の平面状基板を１つずつ連続的に熱処理するための方法が、エー・エス・エム・インターナショナル社に譲渡され２００３年２月６日に公開された米国特許出願公開第２００３／００２７０９４号明細書に記載されており、この米国特許出願における開示の全体は、ここでの言及によって本明細書に組み入れられたものとする。これらの方法においては、反応炉ブロックの加熱炉本体が、通常は途切れることなく加熱されている。加熱炉本体が加熱炉本体の境界面において測定される所望の温度に達したのち、比較的低温である基板が、熱処理のため加熱炉本体の近傍に配置される。基板は、通常は加熱炉本体よりも温度が低いため、加熱炉本体から熱を奪い去る。この熱の奪取は、境界面の近くで加熱炉本体の温度を測定することによって評価することができる。続いて、基板が熱処理される。加熱炉本体の熱回復時間に比べ、熱処理時間が通常は比較的短いため、基板は、絶え間なく加熱されている加熱炉本体の温度が再び所望の温度に達するよりも前に、加熱炉本体の近傍から引き離される。境界面の温度が前記所望の温度まで上昇したのち、次の基板が熱処理のために加熱炉本体の近傍に配置される。

米国特許出願公開第２００３／００２７０９４号明細書に記載の方法は、各基板の再現性のある熱処理を実現することを目的としている。この出願の好ましい実施の形態においては、熱処理のために基板が配置されるときに加熱炉本体を所望の温度にしておき、次いで加熱炉本体が温度を回復する前に基板を加熱炉本体の近傍から引き離し、続いて熱処理のために次の基板を加熱炉本体の近傍に配置する前に、加熱炉本体が再び前記所望の温度に達するまで待つことによって、これが達成されている。このようにして、各基板が、熱処理の進行において時間に対して大まかに同じ熱処理温度の推移にさらされる。

さらに、反応炉ブロックの境界面にわたって温度をさらに均一にするため、境界面が、通常は、独立して制御することができる複数の加熱ゾーンを有している。これらゾーンの温度を適切に制御することによって、反応炉ブロックの基板に面している部分にわたって均一な温度が達成できる。あるいは、この独立制御によって、反応炉ブロックの基板に面している部分にわたって、所望の温度勾配を設定することもできる。

上記の方法および装置は、一連の基板について再現性のある熱処理を可能にしているが、連続する基板を処理するタイミングが比較的固定されており、反応炉の処理能力の柔軟性が制限されている。さらに、加熱ゾーンを独立に制御したとしても、熱回復時間はおそらく加熱ゾーンごとに相違しており、結果として熱処理温度の推移は境界面にわたって均一ではなくなる。

したがって、浮遊基板反応炉の処理能力を制御でき、反応炉ブロックの境界面にわたって温度をより均一にできる装置および方法へのニーズが存在する。
米国特許第６１８３５６５号 米国特許出願公開第２００３／００２７０９４号

本発明の目的は、前記の課題に対する解決策を提供することにある。加熱される加熱炉本体を備えており、加熱炉本体および加熱炉本体の任意の加熱ゾーンの温度を制御できるだけでなく、冷たい基板を熱処理のために加熱炉本体近傍に配置したのちの加熱炉本体の熱回復速度をも制御できる熱処理装置が提供される。

本発明の一態様によれば、一連の平板状基板を１つずつ連続して熱処理するための熱処理装置が提供される。装置は、加熱炉本体を備えており、該加熱炉本体の有する境界面が、熱処理のために当該熱処理装置内に前記一連の基板のうちの１つが配置されたとき、該基板と面するように向けられている。一連の基板のうちの１枚を配置してから一連の基板のうちの次の１枚を配置するまでの時間が、熱処理サイクルを構成し、一連の基板の熱処理は、複数の熱処理サイクルからなる。制御可能なヒータが、当該ヒータの出力設定によって設定された出力レベルで前記加熱炉本体を加熱するよう構成されている。処理温度センサが、熱処理において基板がさらされる処理温度を測定するよう構成されている。さらに装置は、処理温度を制御するための温度レギュレータを備えている。温度レギュレータは、前記処理温度センサから熱処理温度の読み取り値を受信するとともに、所望の処理温度について所望の温度の入力を受信し、前記ヒータの出力設定を生成して出力するよう構成されている。温度レギュレータは、１つ以上のトリガーシグナルを熱処理サイクルの頻度と共鳴して発生させるよう構成された第１の計算部を有している。また、温度レギュレータは、前記ヒータの前記出力設定を少なくとも部分的に決定する制御設定点を計算するよう構成された第２の制御部を有している。さらに第２の制御部は、前記トリガーシグナルを受信し、該トリガーシグナルの受信をうけ処理温度の読み取り値を使用して新しい制御設定点を計算し、該新しい制御設定点を次のトリガーシグナルによって再び計算がトリガーされるまで保持するよう構成されている。

本発明の他の態様によれば、一連の基板を個々に処理するため、半導体処理用反応炉が提供される。反応炉は、熱処理の際に一連の基板のうちの１つと面するための境界面を有し、この境界面が、複数の加熱ゾーンを有している。複数の温度センサが、境界面の近傍に位置している。複数の温度センサは、各加熱ゾーンの境界面温度を測定するように構成されている。独立して制御される複数のヒータが、それぞれ自身の出力レベルを決定するための制御設定点を有しており、前記複数の加熱ゾーンのそれぞれを所望の処理温度に加熱する。さらに反応炉は、前記複数の加熱ゾーンの１つ以上が所望の処理温度に達したほぼそのときに、前記一連の基板のうちの１枚を当該反応炉内へと装填すべくトリガーするよう構成された基板装填信号発生器を有している。さらに、反応炉は、前記境界面温度を調整するための１つ以上の温度コントローラを備えている。この１つ以上の温度コントローラは、前記温度読み取り値を受信し、前記一連の基板のそれぞれの装填頻度に共鳴する再計算頻度で、前記一連の基板のうちの次の１つのために各加熱ゾーンについて次の制御設定点を計算するように構成されている。

本発明のさらに別の態様によれば、半導体の処理のため、複数の基板を１枚ずつ処理するように構成されている装置が提供される。装置は、基板処理位置を画定する表面を有している加熱体を備えている。この加熱体を加熱するため制御可能なヒータが設けられ、該ヒータは、加熱体の近傍に位置するとともにヒータ温度を制御する制御設定点を有している。処理温度センサが、前記基板処理位置の温度が所望の温度に達したときに、一連の基板のうちの１つを装填すべくトリガーするように構成されている。タイマーが、装置の随時の実際の処理能力を割り出すように構成されている。さらに装置は、処理温度を制御するための温度レギュレータを有している。温度レギュレータは、所望される処理能力を示す処理能力の入力を受信し、一連の基板のうちの１つを装填すべくトリガーされたのちに、前記処理能力の入力および随時の実際の処理能力に少なくとも部分的に基づいて、前記ヒータへの新しい制御設定点を計算して出力するよう構成されている。

本発明の他の態様によれば、半導体を処理するための方法が提供される。この方法は、或る処理温度を有する処理室を備える反応炉を準備することを含んでいる。反応炉は、処理室を所望の処理温度に加熱するためのヒータを有している。ヒータは、自身の出力レベルを決定するための制御設定点を有している。

一連の基板のそれぞれが、順番に処理室内に装填され、次いで処理室から取り出される。処理室への基板の装填によって処理温度が低下し、前記制御設定点に設定されたヒータが、基板の装填によって処理温度が低下したのちの処理室を所望の処理温度まで再加熱する。装填は、処理室が所望の処理温度にあるほぼそのときに実行され、取り出しは、基板が再び所望の処理温度に達する前に実行される。この方法は、或る計算条件について処理室を監視することを含んでおり、この計算条件が満足されると、計算条件が満足される前または満足された頃の１つ以上の処理温度読み取り値に基づいて新しい制御設定点を計算すべく、トリガーされる。新しい制御設定点の計算は、基板の装填または取り出しの頻度と共鳴する頻度で実行され、その制御設定点が、再び前記計算条件が満足されるまで保持される。

本発明のさらに他の態様によれば、一連の半導体基板を個々に熱処理するための方法が提供される。この方法は、一連の基板のそれぞれを熱処理するための熱処理位置を有する反応炉を準備することを含んでいる。反応炉は、所望の基板熱処理能力を示している処理能力の入力、および所望の処理温度を示している処理温度の入力を有している。さらに反応炉は、前記熱処理位置に前記所望の処理温度を確立するための制御設定点を有するヒータを備えている。

さらにこの方法は、順番に一連の基板のそれぞれを前記熱処理位置に配置し、この一連の基板のそれぞれを前記熱処理位置から取り出すことを含んでおり、或る１つの基板の装填から次の基板の装填までの時間が基板サイクルを構成している。処理温度が時間の関数として測定され、各基板サイクルにおいては、ただ１つの新しい制御設定点が計算されて適用される。新しい制御設定点は、前記所望の処理温度、測定した処理温度、および一連の基板における所望の熱処理能力に少なくとも部分的に基づいて決定される。

本発明は、本発明の好ましい実施の形態についての詳細な説明および添付の図面から、よりよく理解できるであろう。なお、これらは例示を目的するものであり、本発明を限定するものではない。

米国特許出願公開第２００３／００２７０９４号に記載の方法および装置は、再現性のある熱処理を可能にしているが、基板の装填によって生じる温度の低下ゆえ、加熱炉本体が所望の処理温度まで熱的に回復するのに時間が必要になるため、処理能力が制限されている。特に、基板が加熱炉本体の近傍から引き離される瞬間と加熱炉本体が再び所望の温度に到達する瞬間との間の時間が、処理装置が基板の処理に利用されていない非生産的な待ち時間を構成することがしばしばである。理想的には、価値ある処理能力を失うことがないよう、待ち時間が長すぎてはいけない。これは、待ち時間の増加または短縮が処理対象のすべての基板について乗算されるため、特に基板が１つずつ処理される場合に重要な問題である。一方、待ち時間は、システムの物流が必要とされる基板の移動のタイミングと協働できないため、好ましくは短すぎないほうがよい。しかしながら、従来の方法および装置では、なによりもそれらの方法および装置の温度制御システムが比較的一定な方法で加熱炉本体を加熱しており、結果として熱回復速度が特有であり、したがって熱回復時間も特有であるため、例えばシステムの要求や他の処理条件などに応じて処理能力を変化させる能力が制限されていることがわかっている。

さらに、反応炉ブロックの境界面が複数の加熱ゾーンを有している場合、理想的には、これらのゾーンのすべてが同時に所望の温度に到達する。これは、すべてのゾーンがそれらの所望の温度に到達するまで、またはすべてのゾーンの平均温度が所望の温度に到達するまで、好ましくはウエハが処理のために装填されることがないため重要である。しかしながら、加熱ゾーンの熱回復速度すなわち加熱速度は、その設計、位置、および温度の調整に使用される温度コントローラを含む種々の要因に左右される可能性があることがわかっている。例えば、隣接するゾーンの加熱が、或る特定の加熱ゾーンの加熱に非線形に影響する可能性がある。さらに、いくつかのゾーンは、他のゾーンよりも多くの隣接ゾーンに囲まれており、それら隣接ゾーンからの熱により、多くの隣接ゾーンを有するゾーンが隣接ゾーンの少ないゾーンよりも速く加熱されることになる。また、各ゾーンの温度を能動的に監視して独立に制御できるものの、ヒータの出力の変化と炉または加熱体表面における温度との間の遅延のため、隣接ゾーンの影響を補償して特定のゾーンの表面の温度を正確に制御することは困難である。さらに、熱質量に関して加熱ゾーンから奪い去られる熱の量も、おそらくゾーン間で異なっている。

これらの変数が理由で、各加熱ゾーンの回復速度は通常は同じではなく、例えば境界面の中央にあるゾーンと境界面の周縁領域にあるゾーンが、それぞれの所望の温度に異なる時間に到達する可能性があるなど、反応炉ブロックの境界面にわたって意図せぬ温度の不均一を引き起こしている。特に、すべてのゾーンの所望の温度が同じに設定された場合でさえも、いくつかの加熱ゾーンが、他のゾーンがそれらの所望の温度に向かって依然として加熱されている時間に、所望の温度を通り過ぎてしまう可能性がある。

本発明の好ましい実施の形態は、好ましくは加熱炉本体内に独立した加熱ゾーンを備えている加熱炉本体において加熱の動的な制御を可能にする装置および方法を提供することによって、これらの問題に対処する。冷たい基板を装置内へと装填することによって加熱炉本体が冷えたのちの加熱炉本体の所望の温度の回復の速度を制御するため、本発明の好ましい実施の形態は、何よりも、加熱炉本体に加えられる加熱力を変化させ変化のタイミングをとるための好都合な構成を提供する。所望の温度に再び到達するよりも前に基板を装置から引き離すと好ましく、所望の温度に再び到達したのちに新しい基板を処理すると好ましいことは、理解できるであろう。

好ましくは、特定の基板についての加熱力の強さは、所望の処理能力および実際の処理能力、ならびに／または所望の処理温度および処理において加熱炉本体が到達した実際の処理温度に基づいて、温度コントローラまたは温度レギュレータによって計算される。実際の処理能力および実際の処理温度が、加熱炉本体の回復時の振る舞い、すなわち回復速度の関数であって、時間に対する加熱炉本体の温度を割り出すべくタイマーおよび温度センサを用いることによって測定できることは理解できるであろう。好ましい実施の形態においては、基板の装填によって生じる温度低下の前に加熱炉本体が到達した温度が、処理のために前の基板を装填したのちに加熱炉が所望の温度に到達するために要した時間とともに、測定される。これらの入力を考慮に入れ、次の基板を処理するための加熱力の強さを、回復速度を増加または低下させる必要があるかどうかに基づき、それぞれ増加または低下させることができる。このように、これら入力によってもたらされるフィードバックに基づき、加熱力の強さを、所望の処理能力を実現するとともに、加熱炉本体の温度をより正確に制御するため、変化させることができる。

好ましくは、基板ごとのサーマルバジェットに一貫性を確保するため、加熱力の強度の変化も、サンプル・データの採取後ウエハ・サイクル内の一貫した時間に行なわれる。さらに、計算を容易にするとともに、データが強度を変更する瞬間のプロセス条件を反映していることを確実にするため、好ましくは、温度データは、新たな強度を計算して加熱力をその強度へと変更する直前に採取される。

さらに好ましくは、加熱力の強度が、温度コントローラまたは温度レギュレータの計算部によって、一連の基板が処理される頻度に共鳴する頻度で再計算および再設定される。例えば、基板位置表示器を使用して基板の装填または取り出しを検出し、強度の再計算および再設定のトリガーとすることができる。他の実施の形態においては、装填の瞬間、最小温度に到達した瞬間、あるいは取り出した瞬間など、連続する基板の装填の間の間隔１つ分、または複数個分の間隔で、再計算および再設定を行なうことができる。しかしながら、強度は、サイクルごとに１回変更することが好ましく、温度データは、この変更を行なう直前に採取することが好ましい。

加熱力そのものは、好ましくは、基板を加熱炉本体の近傍に配置したのちに加熱炉に加えられ、好ましくは、次のウエハを処理のために配置するトリガーとなる所望の温度に加熱炉本体が到達する時点のあたりまで、続けて加えられる。前述のとおり、好ましい実施の形態のいくつかにおいては、加熱力の強度の再計算およびその強度の加熱力の加熱炉本体への印加が、処理のためのウエハの配置、または処理のためにウエハを配置したことによって生じる温度の低下をトリガーとする。

このように、本発明の好ましい実施の形態は、強度を基板ごとに変化させることができる加熱力を使用することによって、一連の基板の処理の経過にわたって加熱炉本体の加熱が比較的一定である場合に生じうる固定の熱回復待ち時間に束縛されることがない。好都合なことに、処理能力を、加熱力の強度を変化させることによって制御することができる。例えば、所望の温度へと達するために必要な時間を短縮するため、より強い強度の加熱力を印加することができ、あるいは基板の熱処理間の待機時間、すなわち基板の取出しから次の基板の装填までの時間を延ばすため、より弱い強度の加熱力を印加することができる。この可変性によって、熱処理を加えるべく基板を反応炉内に配置する頻度を変化させることができ、反応炉の処理能力を制御することができるとともに、処理システムの物流に物流が機能するための適切な時間を与えることができる。例えば、処理能力を向上させるべく熱回復速度を増加させることができ、あるいは、そのままでは熱回復時間が、例えば処理される新しい基板の前に基板搬送機能が完了するために短すぎる場合には、回復速度を低下させることができる。さらに、一連の基板の処理の経過にわたって加熱力の強度を変化させることができるため、例えば需要および関連する処理用具の処理能力に応じ、一連の基板の処理の経過において処理能力を能動的に変化させることができ好都合である。

さらに、各ウエハ処理サイクルから採取したデータによってもたらされるフィードバックにより、加熱力の強度を、熱回復速度をより正確に制御し、次の基板を加熱炉本体の近傍に配置する瞬間の熱処理温度をより正確に制御するため、より正確に設定することができる。ウエハ処理サイクルが、或るウエハの装填からそのウエハの取り出しおよび引き続く次の処理対象ウエハの装填までの時間にまたがることは、理解できるであろう。例えば温度の測定値などの採取データについて、正確な比較を可能にすべく一貫した参照点を確保するため、データを、各ウエハ・サイクルの開始または終了に対する所定の時間で採取することが好ましい。例えば、データを、サイクルの開始後の所定の時間、またはサイクルの終了前の所定の時間、あるいはサイクルの継続時間の所定の部分において、採取することができる。前述のとおり、測定を瞬時に行なうよりはむしろ、或る特定の時間枠にわたってサンプル採取を行なうことが好ましい。いくつかの構成においては、この枠を１秒または数秒とすることができる。他の構成においては、新しいウエハ・サイクルにおける加熱温度の強度を設定するための温度データが、単純に前のウエハ・サイクルの経過にわたっての加熱ゾーンの平均温度であるよう、この枠がウエハ・サイクル全体の長さを有していてもよい。

基板がさらされる温度についてより幅広い制御を行なうため、好ましい実施の形態においては、熱処理の際に基板に面する境界面に、複数の加熱ゾーンを設けることが好ましい。加熱ゾーンが、一体となって加熱炉本体を構成する物理的に分離した塊であってもよく、あるいはただ１つの加熱炉本体の別個に加熱される各部分であってもよい。いずれの場合においても、各加熱ゾーンが、好ましくは独立に制御されて加熱温度の強度を独立に変更できる別々のヒータを有していることが好ましい。したがって、各加熱ゾーンの加熱力の強度を、種々のゾーンの種々に異なる熱回復速度（基板の配置がトリガーされた時刻付近で測定された温度測定値、およびウエハ・サイクルの長さによって割り出される）を補償すべく選択することができ、すべてのゾーンが所望の温度に同時に到達するようにできる。他の構成においては、例えば基板表面にわたって温度勾配が望まれる場合など、別個の加熱ゾーンが或る特定の時点において異なる温度に到達するよう設定することもできる。このような場合においては、加熱力の強度が可変であることによって、温度の勾配についてさらに正確な制御が可能である。

加熱力の強さがヒータの出力設定によって決定され、出力設定が好ましくは制御設定点によって決定されることは、理解できるであろう。いくつかの実施の形態においては、制御設定点は、例えばヒータが制御設定点によって示されるとおりに正確な加熱力を加熱炉本体へともたらしていることを確実にする中間コントローラへの入力である。例えば、制御設定点は、加熱炉本体のヒータ近傍の部位に所望される温度であることができ、中間コントローラを、この部位がほぼ所望される温度にあることを確実にすべくヒータの出力設定を調節するために使用することができる。この目的のため、中間コントローラは、さらに加熱炉本体のヒータ近傍の部位についての温度測定値を、入力として受信することができる。他の好ましい実施の形態においては、制御設定点が出力設定そのものであり、新しい出力設定の計算および印加まで、ヒータがその出力設定に保たれる。このような構成においては、ヒータへと出力設定を出力すべく制御設定点の値を変換する中間コントローラは、不要である。

例示の実施の形態においては、加熱炉本体の温度、または複数の加熱ゾーンを有する加熱炉本体の個々の加熱ゾーンの温度が、好ましくは、カスケード温度制御構成であるように配置された２つの温度制御ループによって制御される。好ましくは、少なくとも２つの温度センサが設けられ、第１の温度センサは、加熱力をもたらしているヒータの近傍で加熱炉本体の温度を測定するためのものであり、第２の温度センサは、基板に面する境界面の近傍で加熱炉本体の温度を測定するためのものである。第１の温度センサが第１の温度制御ループに接続され、第２の温度センサが第２の温度制御ループに接続される。

第１の、すなわち内側のループは、第１の温度センサの温度を監視し、さらにヒータへと出力設定を出力してヒータの生み出す熱の強度を制御することにより、熱源へと供給される出力を制御することによって、熱源の近傍の加熱炉本体の温度を調節する。第２の、すなわち外側のループは、境界面の温度を監視し、さらに第１のループの温度設定点すなわち背面設定点を定めるべく第１の制御ループへと制御設定点を出力することによって、境界面の温度を調節する。第２のループも、好ましくは基板の熱処理に所望される温度である温度設定点を有している。このように、第２の制御ループが、第１の制御ループの背面設定点を制御することによって、ヒータの出力設定の決定および加熱炉本体へと供給される加熱力の制御を少なくとも部分的に行なうことにより、境界面が熱処理に所望される温度にあることを確実にする。

第１の制御ループは、第１の温度センサにおける加熱炉本体の温度のリアルタイム制御を確実にするため、例えば約毎秒やそれ以下の間隔などの高い頻度で、第１の温度センサの読み取り値を監視して、熱源の出力設定を設定する。加熱炉本体の質量、および熱源と基板に面する加熱炉本体の境界面との間の距離のため、熱源の温度の上昇と加熱炉本体の表面の温度との間には、かなりの遅延がある。したがって、熱源の温度変化が即座には境界面へと伝えられないため、第２の制御ループは、第１の制御ループと同じ、またはより少ない頻度で、第２の温度センサの読み取りを監視することができる。

好ましくは、第２の制御ループは、基板がいつ熱処理のために加熱炉本体の近傍に配置されたのかを示している装填入力を有している。さらに第２の制御ループは、好ましくは、第１の制御ループのための設定点の計算および出力を調整するため、トリガーおよび待機機能を有している。好ましくは、処理のための基板の配置、または境界面における温度低下の検出が、第１の制御ループのための新しい制御設定点の計算がトリガーされ、新しい設定点が適用されて、次の基板が処理のために配置されるまで維持される。

好ましくは、第２の温度センサからの測定値がメモリに保存され、好ましくは、第２の制御ループの設定点の計算は、処理のための基板の配置によって加熱炉本体の温度が低下する直前、または処理のための基板の配置の直後の時間期間における測定値のみを考慮に入れる。好ましくは、この時間期間の外の温度読み取り値をフィルタ処理して除去するため、時間枠フィルタが設けられる。他の実施の形態においては、時間枠フィルタが、単純に処理の経過において境界面が到達した最高の温度を割り出し、この最高温度を含む所定の時間枠の外にある読み取り値をフィルタ処理して除去することができる。

したがって、このフィルタ処理されたデータを参照することによって、制御設定点の計算は、処理温度の設定点とトリガーの瞬間における加熱炉本体の境界面の実際の温度の比較から得たフィードバックに基づくことができる。基板の熱特性における均一性などの同様の条件を考えると、このフィードバックが、熱回復速度および／または加熱炉本体温度を増加または低下させるべく新しい設定点温度を設定する必要があるか否かに関し、データの提供を助けている。

処理のための次の基板の配置のトリガーとして合成数を使用することと、種々の加熱ゾーン間に熱的相互作用が存在することが組み合わさった場合など、いくつかの理由で、処理がフィルタ処理されたデータの相違につながる可能性があることは、理解できるであろう。すなわち、いくつかのゾーンの温度が、合成数を上回り、あるいは下回る可能性がある。さらに、通常は、フィルタ処理されたデータが或る枠を含んでいる一方で、配置を生じさせるための数は正確な値である。したがって、この枠内の温度が、加熱炉本体の種々のゾーンの加熱速度の相違ゆえ、異なる可能性がある。

さらに、他の実施の形態においては、第２の制御ループが、処理能力の入力すなわち反応炉に望まれる処理能力に関する設定値を受信する処理能力コントローラと通信する。第２の制御ループが、所望の処理能力が得られるよう、制御設定点を増減させることによって熱回復速度を調節するため、この処理能力の入力も考慮に入れる。

以下で図面を参照するが、図面においては、全体を通じて同様の参照番号は同様の部分を指して用いられている。

本発明の好ましい実施の形態は、当業者にとって公知の他の反応炉にも適用することができるが、浮遊基板反応炉の使用が好ましいことは理解できるであろう。例えば、図１〜３に示した反応炉の設計は、処理の際に基板２１が機械的に支持されていることを必要とせず、すなわち、基板２１を固体の支持具に直接接触させることなく処理することができる。これにより、基板２１を、半導体製造プロセスにおいて基板に機械的に接触するような反応炉において生じうる低温スポットを生じることなく、きわめて迅速かつ均一に加熱することができる。さらに、基板を囲んでいる反応炉１の上側および下側ブロック１３および１４が、好ましくはそれぞれ基板２１に対して大きな熱容量を有して基板の温度の安定を助けるとともに、反応炉１内への基板２１の装填および取り出しの際の温度変動に対する反応炉１の感受性を極力小さくするよう、比較的大きい。反応炉１の基本的構成は、Ｌｅｖｉｔｏｒ（登録商標）という商品名でオランダのエー・エス・エム・インターナショナル社から市販されている。

図１〜３に示されているように、反応炉１の熱処理装置は、ハウジング２３内に位置する上側ブロック１３および下側ブロック１４を含んでいる。ブロック１３および１４の互いに向かい合っている表面が、基板２１の処理または処置のための処理室を画定していることは、理解できるであろう。図１に示すように、好ましくはハウジング２３に、基板２１の装填および引き続く取り出しのために開くことができる垂れ蓋２２が設けられている。下側ブロック１４および上側ブロック１３は、昇降ロッド２７および２８によってお互いに向かって移動することができる。

上側ブロック１３は、上側加熱炉本体１３０、絶縁ジャケット１３１、絶縁ジャケット１３１の内側に配置された加熱コイルまたは加熱炉本体ヒータ１３２、および外側ジャケット１３３から構成されている。同様に、下側ブロック１４は、下側加熱炉本体１４０、絶縁ジャケット１４１、絶縁ジャケット１４１の内側に配置された加熱コイル１４２、および外側ジャケット１４３から構成されている。好ましくは、加熱炉本体１３０、１４０はそれぞれ、反応炉１が収容するように設計されている基板の質量の１０倍を超える質量を有しており、さらに好ましくは、基板の質量の４０倍よりも大きな質量を有している。

好ましくは、上側加熱炉本体１３０には、温度センサ１３４が少なくとも１つ設けられており、好ましくは、下側加熱炉本体１４０にも、温度センサ１４４が少なくとも１つ設けられている。前述のとおり、好ましい一実施の形態においては、温度センサ１３４、１４４が、基板２１に近接する加熱炉本体１３０、１３４の表面１４６および１４８の近傍の温度をそれぞれ測定するように配置されている。温度センサ１３４、１４４は、熱処理において基板２１がさらされる処理温度を測定し、熱処理のために基板２１を加熱炉本体近傍に配置することによって生じる加熱炉本体１３０、１４０の温度の低下を検出するため、加熱炉本体の表面１４６および１４８に充分近く配置されている。好ましくは、温度センサ１３４、１４４は、それぞれ表面１４６および１４８からの離間が約５ｍｍよりも小さく、さらに好ましくは約２ｍｍよりも小さい。したがって、温度センサ１３４、１４４は、以下では、「処理」温度センサまたは「第２の」温度センサとも称される。

さらに、上側加熱炉本体１３０に他の温度センサ１３５が少なくとも１つ設けられ、上側加熱炉本体１３０において加熱コイル１３２に面しているヒータ面１４７に近接して配置されていると好ましい。同様にして、下側加熱炉本体１４０に温度センサ１４５を、下側加熱炉本体１４０において加熱コイル１３２に面している面１４９に近接して配置して設けることができる。これらの温度センサ１３５、１４５は、加熱コイル１３２、１４２に近接して位置しているため、以下では「背面」温度センサまたは「第１の」温度センサと称される。

処理ガス（不活性ガスを含んでいる）が、上側加熱炉本体１３０および下側加熱炉本体１４０の両者から、それぞれ開口２５および開口２４を通って供給される。このガスは、反応炉ハウジング２３に形成された排出口２６を通して排出することができる。

図１に示すように、上側ブロック１３および下側ブロック１４は、反応炉１への基板２１の導入に先立って、好ましくは離れるように動かされる。反応炉１内に基板２１が導入されたのち、昇降ロッド２７および２８によってブロック１３および１４が、基板２１とそれぞれ加熱炉本体１３０および１４０の隣接する表面１４６および１４８との間の間隔が小さくなるよう、お互いに向かって動かされる。熱処理のための位置に配置されたとき、基板２１は、表面１４６および１４８から約２ｍｍよりも小さく位置していると好ましく、約１ｍｍよりも小さく位置しているとさらに好ましい。図２に示すように、図示の実施の形態においては、基板が開口２４および２５から発せられるガス流によって安定位置に保持され、さらなる機械的な支持を必要としない。しかしながら、他の構成において、基板を本体１３０および１４０から離間して支持すべく支持ピンなどの支持構造を使用できることは、理解できるであろう。さらに、本体１３０および１４０から対称的に離間して描かれているが、他の構成においては、基板２１を本体１３０または１４０のどちらかに近づけて配置することも可能である。

いくつかの好ましい実施の形態においては、加熱炉本体１３０、１４０のそれぞれが、加熱炉本体を横断する横方向の温度分布を調整することができるよう、複数の加熱ゾーンを有している。加熱ゾーンを複数備える構成の一例が、図４に示されている。円板状の中央ゾーン４０１が、環状の中間ゾーン４０２で囲まれている。加熱炉本体１３０または１４０の周縁には、前側ゾーン４０３および後ろ側ゾーン４０４が設けられており、一体となって環状の中間ゾーン４０２を取り囲む環状の周縁ゾーンを構成している。前側ゾーン４０３と後ろ側ゾーン４０４は、中心線４１０の両側に位置している。反応炉１内へと基板２１を装填するための方向（図１〜３）が、矢印４２０で示されている。

上側加熱炉本体１３０および下側加熱炉本体１４０は、例えばそれぞれが前記ゾーン４０１、４０２、４０３および４０４を備えるなど、同一の複数ゾーン配置を有するように構成できる。他の構成においては、上側および下側加熱炉本体１３０および１４０の複数ゾーンを、それぞれ、お互いに対して回転させることができる。この回転は、例えばそれぞれの中心線４１０がお互いに約９０°の角度をなすとともに、装填および取り出し方向４２０および４３０に対しそれぞれ反対向きに約４５°の角度をなすように選択できる。あるいは、この回転を、それぞれの中心線４１０がお互いに約１２０°の角度をなすように選択してもよい。さらに、より多数または少数のゾーンを有する、あるいは異なる形状および／または空間的配置のゾーンを有する他の複数ゾーン構成を選択することもできる。好ましくは、以下に述べるとおり、加熱ゾーンのそれぞれが別個の温度センサ１３４、１４４、１３５または１４５ならびに独立に制御されるヒータ１３２、１４２を有している。

図５〜７は、ヒータおよび結果として得られる加熱炉本体の温度を制御するため、２つの制御ループを入れ子にして有する温度制御の構成をいくつか示している。前述のとおり、２つの制御ループを入れ子にして有する構成は、一般的に、カスケード温度制御構成と称される。米国特許出願公開第２００３／００２７０９４号明細書に記載の一実施の形態による温度制御構成が、図５に示されている。反応炉５１０を含む処理システムの全体が、参照番号２００で示されている。第１の内側の制御ループは、第１の温度コントローラ２２０を有し、入力として背面温度センサ１３５または１４５（図１〜３）から信号Ｂｓを、線路２１２を介して受信する。第１のコントローラ２２０への第２の入力は、第２の温度コントローラ２３０で生成され線路２３４を通じて第１の温度コントローラ２２０へと供給される背面設定点信号Ｂｓ_ｓｅｔである。第２の外側の制御ループは、第２のコントローラ２３０を有し、入力として処理温度センサ１３４または１４４（図１〜３）から信号Ｐｒを、線路２１４を介して受信する。第２の温度コントローラ２３０への第２の入力は、線路２３２を介して第２の温度コントローラ２３０へと供給される処理温度設定点信号Ｐｒ_ｓｅｔである。

背面温度センサ１３５または１４５での温度を調整するとき、第１のコントローラ２２０が、通常は毎秒１回の計算、あるはさらに高速な比較的高い制御頻度で動作し、リアルタイムの温度制御の実行を実現する。第２のコントローラ２３０は、第１のコントローラと同じ高い頻度で動作してもよいが、より低い制御頻度で動作することもできる。ヒータ１３２または１４２とそれぞれが対応する処理温度センサ１３４または１４４との間の距離が比較的大きく、したがって第２の制御ループの反応が元々遅いため、約２〜１０秒につき１回の計算の頻度が適切である。

図５に示したような従来の温度制御システムは、一定の温度や一定の傾斜すなわち一定の加熱速度などの定常状態を保つことができる。例えば加熱炉本体の温度の変化に応じたこの定常状態の変化は、両方の温度コントローラ２２０および２３０の反応を惹起する。

好都合なことに、好ましい実施の形態は、定常状態および定常状態が達成されない動的状況の両者において制御を可能にする。例えば、一連の基板２１の連続処理において、第２の温度コントローラ５３０の制御動作が、基板２１の処理サイクルにおいて余分な量の熱を供給するよう最適化され、基板２１によって奪い取られる熱、および基板２１の装填および取り出しのためにハウジング２３を開放することによる熱の損失を補償する。制御の目的は、一連の基板２１の全体の処理において、各基板２１を装填する直前の処理温度を一定にすることにある。したがって、好ましくは、加熱炉本体１３０、１４０の温度および熱回復速度の両者が制御される。

好ましい実施の形態による温度制御構成が、図６に示されている。反応炉５１０を含む処理システムの全体が、参照番号５００で示されている。第１の内側の制御ループは、第１の温度コントローラ５２０を有し、背面温度センサ１３５または１４５（図１〜３）からの信号Ｂｓを、線路５１２を介して背面温度の入力として使用する。第１のコントローラ５２０への第２の入力は、第２の温度コントローラ５３０で生成され線路５３４を通じて第１の温度コントローラ５２０へと供給される制御設定点信号すなわち背面設定点信号Ｂｓ_ｓｅｔである。第１の内側の制御ループは、反応炉５１０内のヒータの出力設定を調節するため、一秒あたり約１回の計算またはそれ以上の比較的高い制御頻度で動作する。

第２の外側の制御ループは、第２のコントローラ５３０を有し、処理温度センサ１３４または１４４（図１〜３）からの信号Ｐｒを、線路５１４を介して処理温度入力として使用する。第２の温度コントローラ５３０への第２の入力は、線路５３２を介して第２の温度コントローラ５３０へと供給される処理温度設定点信号Ｐｒ_ｓｅｔである。

さらに、第２の外側の制御ループは、基板検出器およびタイマー５４０を有しており、この基板検出器およびタイマー５４０が、時間軸において加熱されている加熱炉本体１３０、１４０（図１〜３）の近傍に基板２１が配置された瞬間を示した信号を供給する。この信号が線路５４４を介して第２の温度コントローラ５３０に供給される。基板検出器およびタイマー５４０は、加熱されている加熱炉本体１３０、１４０の近傍に基板２１が配置されると予想されるときに第２の温度コントローラ５３０へと信号を供給する物流コントローラであることができる。他の実施の形態においては、加熱されている加熱炉本体１３０、１４０の近傍に基板２１がいつ配置されるかを能動的に監視すべく、センサを設けることができる。好ましくは、このセンサが処理温度センサ１３４、１４４であり、時間軸において加熱炉本体１３０、１４０の近傍に基板２１が配置された瞬間を、加熱炉本体の温度の低下から推定する。

さらに第２のコントローラ５３０そのものも、いくつかの特徴を有している。制御の目的のために第２のコントローラ５３０によって評価された処理温度値をフィルタ処理するため、時間枠フィルタ５３６が設けられている。処理温度値は、好ましくは、基板２１の加熱炉本体１３０、１４０近傍への配置の直前の時間枠にて記録された値に限定され、さらに好ましくは、加熱されている加熱炉本体１３０、１４０の近傍に冷たい基板を配置することによる温度低下が検出される直前の時間枠にて記録された値に限定される。他の構成においては、処理温度値が、測定された最も高い温度値を含んでいる特定の時間枠内に含まれている値である。

さらに、トリガーおよび待機機能５３８も設けられている。この機能によれば、熱処理のための基板２１の配置がトリガーとなって、時間枠フィルタ５３６によって伝送された処理温度値に基づき、新しい制御設定点出力値すなわち背面設定点出力値Ｂｓ_ｓｅｔの計算が行なわれる。ひとたび新しいＢｓ_ｓｅｔが計算されると、この値が、基板２１が取り出され新しい基板２１の装填が検出されるまで、出力値として保持される。この装填がトリガーとなって、コントローラ５３０が再び、時間枠フィルタ５３６から送られてきた次の基板２１の配置の直前に測定された処理温度を使用して、Ｂｓ_ｓｅｔの計算を実行する。したがって、第２の制御ループは、好ましくは基板２１が処理されるごとに１回、Ｂｓ_ｓｅｔの計算を実行する。

処理システム５００は、自身の処理温度センサ、背面温度センサ、および入れ子になった制御ループをそれぞれに有している複数の加熱ゾーンが存在している場合に、特に好都合である。また、所望の処理温度に達したのちに基板が装填され、これによって処理温度の低下が引き起こされ、処理温度が上昇して再び所望の温度へと達する前に基板が取り出される処理方法において、特に好都合である。そのような方法においては、好ましくは基板２１（図１〜３）が、所望の処理温度にある加熱炉本体１３０、１４０近傍に配置されることによって熱処理のために装填され、次いで熱処理時間の間、加熱炉本体１３０、１４０の近傍に保持される。熱処理時間の経過後、基板２１は反応炉１から取り出され、あるいは加熱炉本体１３０、１４０から離れるように動かされる。処理時間は短いため、処理温度が所望の処理温度まで回復するよりも前に、基板２１が取り出されるであろう。通常は、処理される次の基板２１は、再び所望の処理温度に達したときに、加熱炉本体１３０、１４０の近傍に配置される。当業者であれば、他のさまざまな測定複合物を監視することによって、システムについて次の基板のための準備ができたことを判定してもよいことを、容易に理解できるであろう。

時間軸において次の基板２１を装填するための正確な瞬間は、例えば中央ゾーン４０１（図４）など、主たる加熱ゾーンの温度から決定することができる。あるいは、次の基板２１を装填する時間を、例えばゾーン４０１、４０２、４０３、および４０４など、すべての加熱ゾーンの読み取り値を組み合わせ、平均温度またはいくつか考えられる他の複合温度に基づいて決定してもよい。

しかしながら、複数の加熱ゾーン４０１、４０２、４０３、および４０４の熱回復速度が異なっている可能性があり、いくつかのゾーンが他のゾーンよりも早く、あるいは遅くに所望の処理温度に達するかもしれない。加熱炉本体１３０、１４０（図１〜３）が比較的大きいため、他のゾーン４０１、４０２、４０３、または４０４よりも前に所望の処理温度に達したゾーン４０１、４０２、４０３、または４０４が、不都合にも所望の温度を行き過ぎてしまうかもしれない。熱処理の開始においてこのような意図せぬ温度の差が存在すると、基板全体にわたる熱の割り当てにばらつきが生じ、基板２１上に不均一な処理結果をもたらす可能性がある。したがって、これを補償するため、次の基板の装填の直前の時間枠内における加熱ゾーンの処理温度Ｐｒが、所望の処理温度Ｐｒ_ｓｅｔよりも高い、あるいは低い場合、第２の温度コントローラ５３０によって、異なる加熱ゾーン４０１、４０２、４０３、および４０４の異なる回復速度を補償すべくＢｓ_ｓｅｔを調整することができる。すなわち、加熱ゾーンの回復がゆっくりであるか、迅速であるかに応じて、Ｂｓ_ｓｅｔを増やす、または減らすことにより、すべてのゾーン４０１、４０２、４０３、および４０４が、基板の装填によって熱が奪いさられたのちに、それらの所望の温度に同時に到達するようにできる。このようにして、基板全体にわたる熱の割り当てを均等にすることができる。

図７に示した他の好ましい実施の形態においては、処理能力コントローラ５５０が設けられている。処理能力コントローラ５５０は、入力として基板検出器およびタイマー５４０から線路５４６を介して信号を受信し、この信号は、実際の処理能力を示している。さらに処理能力コントローラ５５０は、線路５５２を介して所望の処理能力（例えば一時間当たりのウエハ数、すなわちＷ／ｈｒ_ｓｅｔ）を示した信号を受信する。

実際の処理能力が所望の処理能力よりも低い場合、すべてのゾーン４０１、４０２、４０３、および４０４について同時に背面温度設定点を増加させるべく、出力信号が線路５５４を介して第２の温度コントローラ５３０へと供給される。この増加は、例えば実際の温度設定点の或る割合でよく、あるいは最大の温度設定点の或る割合でもよい。（各加熱ゾーンについて）背面温度設定点を増加させることにより、加熱炉本体のウエハに面している側と加熱炉本体のウエハから離れている方の側との間により大きな温度差がもたらされることは、理解できるであろう。この大きな温度差が、加熱炉本体を通過してウエハに面している側へと向かう大きな熱流をもたらし、したがって加熱ゾーンの迅速な回復をもたらす。これにより、次の基板２１をすぐに装填できるようになり、より高い処理能力がもたらされる。対照的に、実際の処理能力が所望の処理能力よりも高い場合、すべてのゾーンについて背面設定点の低減を適用することができる。最大の処理能力が、基板取り扱いロボットなどのシステムの物流の最大能力によって制限され、所望する最大の処理能力が、好ましくはこのシステムの物流の最大能力を超えないことは、理解できるであろう。また、背面温度設定点における増加または低減の正確な量は、複数のウエハを異なる背面温度設定点で処理することによって経験的に導出した関係に基づいて決定することができ、あるいはウエハ２１および反応炉１の熱的な特性に基づいてより理論的に決定することができることも、理解できるであろう。

図８には、図７の制御構成が、ヒータ・ブロック１４（図１〜３）の一部をより詳細に示して描かれている。加熱炉本体１４０に、ヒータ１４２、処理温度センサ１４４、および背面温度センサ１４５が設けられている。例えばウエハなどの基板２１が、加熱炉本体１４０に近接して配置される。図７が、第１および第２の制御ループと処理温度センサおよび背面温度センサの接続を示すためだけに提示されていることは、理解できるであろう。ヒータおよびセンサについて、他の組み合わせおよび個数を使用することも容易に可能である。例えば、前述のとおり、反応炉１は、それぞれが第１および第２の温度制御ループにそれぞれ接続された背面温度センサ１３５、１４５、および処理温度センサ１３４、１４４、をそれぞれ有する２つの反応炉ブロック１３、１４を有していると好ましい。さらに、反応炉ブロック１３、１４のそれぞれが、それぞれが別個の温度センサを有し別個の第１および第２の温度制御ループに接続されている複数の加熱ゾーンを備える加熱炉本体１３０、１４０を有していると好ましい。

図６、７および８の制御システムにおいて使用されているコントローラ５２０および５３０が、公知の任意のコントローラでよいことも、理解できるであろう。例えば、ＰＩＤ（比例、積分、微分）コントローラ、Ｈ∞コントローラ、モデルに基づくコントローラ、これらコントローラのそれら自身との組み合わせ、あるいは他のコントローラを使用することができる。好ましくは、第１の温度コントローラ５２０は、リアルタイムの制御性能を実現するため、通常は１秒あたり１回、あるいはさらに高速な比較的高い制御頻度で動作する。第２の温度コントローラ５３０は、より低い制御頻度で動作し、ウエハを処理するごとに計算を１回実行する。処理能力コントローラ５５０は、技術的に利用可能な任意のコントローラでよい。好ましい一実施の形態においては、コントローラ５５０がＰ（比例）コントローラである。

複数の加熱ゾーンが存在する場合、各ゾーンが、背面温度センサ、処理温度センサ、および自身の独立した制御ループを備えていると好ましい。しかしながら、ウエハ装填の瞬間および反応炉の処理能力は、すべての加熱ゾーンにとって同じであるため、すべての加熱ゾーンの制御ループに入力を供給するただ１つの基板検出器およびタイマー５４０ならびにただ１つの処理能力コントローラ５５０を設けるだけでよい。

本発明の機能を図５〜８を参照して概略的に説明したが、本発明をハードウェアにおいてさまざまなやり方で実行できることは、理解できるであろう。例えば、図面に示した各コントローラ５２０または５３０は、別個のハードウェア部品として存在できる。あるいは、複数のコントローラ機能、あるいはすべてのコントローラ機能でさえも、１つのハードウェア・コントローラで実行できる。例えば、一実施の形態においては、基板検出器およびタイマー５４０、処理能力コントローラ５５０、およびすべての加熱ゾーンのための第２の温度制御コントローラ５３０を、１つのハードウェア・コントローラに組み合わせることができる。さらに、すべての第１の温度コントローラ５２０を、１つの第２のハードウェア・コントローラに組み合わせることができる。

以下、図９〜１２を参照して、時間に対する処理温度の変動について説明する。図９は、第１の一連のウエハおよび第２の一連のウエハの一部の処理について、温度‐時間のグラフを示している。「上側中央」加熱ゾーンの処理温度が示されており、所望の処理温度は８００℃である。第１の一連のウエハの処理に先立って、熱反応炉は、所望の処理温度よりも低い待機状態にある。処理の開始において、温度設定点を所望の処理温度まで増加させる。このようにして、ヒータ側から加熱炉本体の上派に面している面に向かって、加熱炉本体を通過する熱の流れが確立される。所望の処理温度に達したとき、最初のウエハが装填されて加熱炉本体の近傍に配置され、温度の低下が生じる。この例においては、処理時間は４秒であった。より一般的には、急速熱アニールのための処理時間は、約１秒〜約６０秒の間であり、さらに好ましくは約１秒〜約２０秒の間である。この比較的短い処理時間ゆえ、再び所望の温度に達する前にウエハを加熱炉本体から取り出すことができる。再び所望の温度に達したとき、次のウエハが装填され、一連のウエハのすべてが処理されるまで、これが繰り返される。

４つ以上のウエハを処理したのち、１つのウエハのための全サイクル時間は約５５秒である。最初のいくつかのウエハについては、加熱炉本体の温度の推移、および加熱炉本体のウエハに面する側へと向かう対応する熱流が、比較的冷たいウエハを挿入することによって加熱炉本体から熱が奪い取られることを先取りするための適切なレベルを未だ確立していないため、熱の回復がより遅く、したがってサイクル時間がより長い。

一連のウエハの終わりにおいては、さらなるウエハは装填されず、したがって加熱炉本体から熱が奪い去られることがなく、温度の行き過ぎが生じうる。好ましくは、第１および第２の制御ループによって確立される温度の推移がこれを先取りし、最後のウエハが装填されたのち、あるいはいくつか前のウエハが装填されたのちに、Ｂｓ_ｓｅｔを小さくする。ウエハが処理すべき最後のウエハであることは、例えば、最後のウエハが処理されていることを示す物流コントローラからの入力によって判断することができる。さらに、第２の温度コントローラは、ウエハ検出器およびタイマー５４０が所定の時間の間ウエハを検出しなかった場合、あるいは処理温度が所定のしきい値を超えた場合に、Ｂｓ_ｓｅｔを小さく設定することができる。

境界面において測定される処理温度が、所望の処理温度を超えてヒータの温度まで上昇した場合、ヒータ側で加熱炉本体に蓄積された余分な熱を均し、Ｂｓ_ｓｅｔが待機温度へと下げられたのちの定常状態の温度推移が確立されるまでの時間が必要である。この結果、図示の例では、一連のウエハの終わりにおいて、処理温度が約４分間にわたって所望の処理温度を上回っている。その後、処理温度は、新しい一連のウエハの処理が開始されるまで、待機温度に保たれる。

処理温度の行き過ぎは、一連のウエハを処理する際に、より低い背面温度設定点を適用することによって軽減できる。しかしながら、これは、処理において温度の回復を遅らせ、ウエハ処理のサイクル時間を増加させて、処理能力に悪い影響を及ぼすであろう。一方で、行き過ぎは、好ましくは、次の一連のウエハの処理を開始する前に所望の処理温度またはそれ以下まで温度を下げる必要があるため、処理できるウエハの最大数を少なくする。しかしながら、行き過ぎの平坦化が、一連のウエハの処理において１回だけ生じるのに対し、ウエハ装填後の熱回復は、ウエハごとに生じる。したがって、一連のウエハの処理の終わりにおける或る程度の行き過ぎは、時間に対して反応炉において処理できるウエハの数を最大化するために、受け入れることが好ましい。

図１０は、図９の部分拡大であり、温度制御に使用される時間枠の一例を示している。２本の垂直線で示されている時間枠が、この時間枠内の温度が加熱炉本体近傍への冷たいウエハの配置の影響を未だ受けていないように配置されている。この時間枠内の温度のみが、温度制御に使用される。図示の例では、温度測定の時間刻みは１秒であり、１秒の時間枠が１つの温度測定値を含んでいる。あるいは、時間枠および温度測定の時間刻みを、異常なデータ点の存在可能性を最小化するため、２つ以上の温度測定値が取得されるようにする。例えば、そのような場合には、範囲外にあるデータ点を破棄でき、残りの温度測定値を平均することができる。

図１１および１２を参照すると、ウエハの装填の直前の時間枠内の温度が、複数の加熱ゾーンについて示されている。加熱ゾーンは、図４に示したように構成されている。上側加熱炉本体１３０の上側前方ゾーン４０３、上側中央ゾーン４０１、および上側後方ゾーン４０４、ならびに下側加熱炉本体１４０の下側前方ゾーン４０３、下側中央ゾーン４０１、および下側後方ゾーン４０４について、処理温度センサ１３４、１４４（図１〜３）によって測定した処理温度が示されている。

２つの異なる状況について検討した。図１１においては、すべての加熱ゾーンが、同じ所望の処理温度設定点を受信している。図１２においては、例えば短い処理時間に対する装填／取り出し時間の長さゆえウエハの個々の領域の暴露時間が相違するが、これを補償すべく加熱炉本体にわたって制御された温度勾配を確立する目的で、異なる加熱ゾーンは異なる所望の温度設定点を受け取った。温度勾配によって装填／取り出し時間の影響を補償する方法は、２００２年５月８日に出願され、エー・エス・エム・インターナショナル社に譲渡されている米国特許出願第１０／１４１，５１７号「枚葉式半導体処理反応炉のための温度制御（ＴＥＭＰＥＲＡＴＵＲＥ ＣＯＮＴＲＯＬ ＦＯＲ ＳＩＮＧＬＥ ＳＵＢＳＴＲＡＴＥ ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲ ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ ＲＥＡＣＴＯＲ）」に説明されており、この米国特許出願の開示は、その全体がここでの言及によって本明細書に組み込まれたものとする。両方の場合において、約０．５℃あるいはさらに良好な温度の再現性を観測でき、動的および非定常制御を受ける加熱ゾーンにとって良好な結果であると考えられる。

好ましくは、プロファイリング処置が、一連のウエハが処理される前に実行される。そのような手順は、ウエハの処理なしで、定常状態において所望の処理温度を達成するために必要な背面温度設定点を決定する。処理において、この前もって決定された背面温度設定点が、背面温度の制御のための開始点として用いられる。

加熱炉本体にわたって温度勾配が必要である場合には、最適な結果のため、このプロファイリング処置が、好ましくはそのような勾配を概算し、各加熱ゾーンのための特定の背面温度設定点を決定する。各加熱ゾーンは、お互いの加熱速度に非線形な影響を及ぼし、そのようなプロファイリング処置は、初期の設定点が所望の値にとって適切であることを確実にするために望ましい。

好ましい実施の形態を、加熱炉本体に直接隣接して抵抗加熱コイルを有するものとして説明したが、本発明の実施の形態がそのような構成に限られるものではないことは、理解できるであろう。例えば、加熱コイルを加熱炉本体内、または加熱炉本体上、あるいは加熱炉本体の直近に配置することができる。ヒータをランプまたは誘導コイルで構成し、加熱炉本体からいくらか離して配置することも可能である。さらに、加熱炉には、それぞれがヒータを備える２つの加熱炉本体を設けることが好ましいが、他の構成においては、加熱炉本体が１つだけでもよく、あるいは加熱炉本体のうちのただ１つを加熱してもよい。

さらに、温度コントローラは、１つの背面温度センサまたは１つの処理温度センサに接続されているとして説明しているが、他の実施の形態においては、各制御ループを、例えば複数の背面温度センサまたは複数の処理温度センサなど、複数の温度センサに接続することができる。そのような構成においては、センサの出力を好ましくは平均し、あるいは制御ループで受信する前または受信する際に合成する。

基板を、熱処理位置への配置の前または後に必ずしも反応炉から取り出す必要がないことも、理解できるであろう。例えば、熱処理の完了後に、図３に示したように反応炉を開くことによって基板を加熱されている加熱炉本体から引き離したのち、基板をほぼ平坦である冷却体の近傍へと移動させることができ、冷却も迅速かつ制御の下で行なうようにできる。

さらに、いくつかの実施の形態においては、加熱力の強度の再計算のトリガーとなる計算条件は、必ずしも基板の装填または取り出しである必要はない。例えば、連続する基板の装填の間における温度の局所最小（例えば、処理のためのウエハの配置が加熱炉本体の温度の低下を引き起こしたときに生じる）や局所最大を、再計算のトリガーとなる条件とすることができる。さらに、ガス流の変化（例えば、基板のさらなる加熱を最小とすべく流す導電性ガスをより少なくする）を計算することもできる。好ましくは、計算条件は、ウエハ・サイクルと同じ頻度で発生する。

さらに、本発明を、間に基板が収容される対向する２つの加熱炉本体を有するＬｅｖｉｔｏｒ（登録商標）炉に関して説明したが、本発明を、処理の間に基板が近接して配置される加熱炉本体をただ１つ有する反応炉によっても具現化できることも、理解できるであろう。

したがって、本発明の技術的範囲を離れることなく前記プロセスに他のさまざまな省略、追加、および変更を加えることが可能であることは、当業者であれば理解できるであろう。そのような変更および改変はすべて、添付の特許請求の範囲によって定められる本発明の技術的範囲に包含されるものである。

本発明の好ましい実施の形態による浮遊基板反応炉の一例について、基板の装填を図式的に示しており、反応炉が開いた状態で示されている。 本発明の好ましい実施の形態による浮遊基板反応炉の一例について、基板の処理を図式的に示しており、反応炉が閉じた状態で示されている。 本発明の好ましい実施の形態による浮遊基板反応炉の一例について、基板の処理を図式的に示しており、反応炉が開いた状態で示されている。 本発明の好ましい実施の形態による浮遊基板反応炉の複数の加熱ゾーンについて、一例となる構成を概略的に示している。 米国特許出願公開第２００３／００２７０９４号に記載の一実施の形態による温度コントローラであって、入れ子にされた２つの制御ループを有する温度コントローラを概略的に示している。 本発明の好ましい実施の形態による入れ子にされた２つの制御ループを有する温度コントローラを概略的に示している。 本発明の別の好ましい実施の形態による入れ子にされた２つの制御ループを有する温度コントローラを概略的に示している。 本発明の好ましい実施の形態による熱処理装置と図７の温度コントローラの接続について、さらなる詳細を概略的に示している。 本発明の好ましい実施の形態による２組の一連の基板の処理について、温度‐時間のグラフを示している。 図９のグラフの一部を拡大して示している。 本発明の好ましい実施の形態による６つの加熱ゾーンを有する浮遊基板反応炉の一例について、各加熱ゾーンの処理温度を示しており、この処理温度は、熱処理のために基板を加熱ゾーンの近傍に配置する直前に測定されており、すべての加熱ゾーンについて所望の処理温度は同じである。 本発明の好ましい実施の形態による６つの加熱ゾーンを有する浮遊基板反応炉の一例について、各加熱ゾーンの処理温度を示しており、この処理温度は、熱処理のために基板を加熱ゾーンの近傍に配置する直前に測定されており、反応炉ブロックにわたって或る温度勾配を達成するため、すべての加熱ゾーンについて所望の処理温度が異なっている。

Claims (27)

1. 複数の熱処理サイクルで１枚ずつ一連の平板状基板を連続して熱処理するための熱処理装置であって、
   熱処理のために当該熱処理装置内に前記一連の基板のうちの１つが配置されたとき、該基板と面するように向けられている境界面を有している加熱炉本体、
   出力設定によって設定された出力レベルで前記加熱炉本体を加熱するよう構成された制御可能なヒータ、
   熱処理において前記基板がさらされる処理温度を測定するよう構成された処理温度センサ、および
   前記処理温度センサから熱処理温度の読み取り値を受信するとともに、所望の処理温度のための所望の温度の入力を受信し、前記ヒータの前記出力設定を生成して出力するように構成された熱処理温度を制御するための温度レギュレータ
   を有しており、
   該温度レギュレータが、
   前記熱処理サイクルの頻度に応じて１つ以上のトリガーシグナルを発生させるよう構成された第１の計算部、および
   前記ヒータの前記出力設定を少なくとも部分的に決定する制御設定点を計算するよう構成された第２の計算部であって、前記トリガーシグナルを受信し、該トリガーシグナルの受信により処理温度の読み取り値に基づいて新しい制御設定点を計算し、該新しい制御設定点を次のトリガーシグナルによって再び計算がトリガーされるまで保持するよう構成されている第２の計算部を有している熱処理装置。
2. 前記第１の計算部が物流コントローラを有しており、該物流コントローラは、前記一連の基板のうちの１つが熱処理のため該装置内に装填されたことを示すトリガーシグナルを発生させるように構成されている請求項１に記載の熱処理装置。
3. 前記第１の計算部が、前記処理温度センサから処理温度の読み取り値を受信し、各処理サイクルにおいて該処理温度の読み取り値に基づいて１つ以上のトリガーシグナルを発生させるよう構成されている請求項１に記載の熱処理装置。
4. 前記第１の計算部が、所望の処理温度に達したときにトリガーシグナルを発生させるよう構成されている請求項３に記載の熱処理装置。
5. 前記第１の計算部が、処理サイクル内で処理温度が最小値に達したときにトリガーシグナルを発生させるよう構成されている請求項３に記載の熱処理装置。
6. 前記制御設定点が前記出力設定である請求項１に記載の熱処理装置。
7. 前記加熱炉本体が、複数の加熱ゾーンを有しており、
   前記複数の加熱ゾーンのそれぞれが、独立して制御されるヒータを有している請求項１に記載の熱処理装置。
8. 前記加熱炉本体の前記ヒータに近接する部位でヒータ側温度を測定するよう構成されたヒータ側温度センサをさらに有しており、
   前記制御設定点が、目標とするヒータ側温度であり、前記処理温度を制御するための温度レギュレータが、
   前記第２の計算部の一部を構成する境界面温度レギュレータであって、前記所望の温度の入力および前記処理温度センサからの読み取り値を受信し、前記制御設定点を計算して出力するよう構成された境界面温度レギュレータ、および
   前記ヒータ側温度センサから温度読み取り値を受信し、さらに前記制御設定点を受信するように構成され、さらに前記ヒータの出力設定を生成して出力することによってヒータ側温度を該制御設定点の値に調整するよう構成されているヒータ側温度レギュレータ
   を有している請求項１に記載の熱処理装置。
9. 前記ヒータ側温度レギュレータが、前記ヒータ側温度を前記制御設定点の値に保つため、毎秒またはそれ以下について１回、前記ヒータの出力レベルを調整するよう構成されている請求項８に記載の熱処理装置。
10. 前記処理温度センサによって測定された処理温度読み取り値をフィルタ処理し、或る時間枠内において測定された１つ以上の処理温度読み取り値を出力するとともに、該時間枠外の処理温度読み取り値を阻止するように構成された時間枠フィルタをさらに有しており、
    前記新しい制御設定点の計算に使用される処理温度読み取り値が、該フィルタ処理された１つ以上の処理温度読み取り値である請求項１に記載の熱処理装置。
11. 前記時間枠フィルタが、基板が熱処理のために熱処理装置内に配置されたほぼその瞬間の処理温度読み取り値を、フィルタ処理を通じて出力するよう構成されている請求項１０に記載の熱処理装置。
12. 前記フィルタ処理後の処理温度読み取り値が、基板の配置の瞬間の前０．１〜３秒からの温度読み取り値のみを含んでいる請求項１１に記載の熱処理装置。
13. 前記温度レギュレータに接続された処理能力コントローラであって、該熱処理装置に所望される基板熱処理能力を示している所望の処理能力の入力を受信し、さらに該熱処理装置の実際の基板熱処理能力を示している入力を受信し、これら入力に基づいて前記第２の計算部へと処理能力制御信号を出力する処理能力コントローラをさらに有しており、
    前記第２の計算部が、該処理能力制御信号に少なくとも部分的に基づいて、前記新しい制御設定点を計算するよう構成されている請求項１に記載の熱処理装置。
14. 一連の半導体基板を個々に処理するための方法であって、
    或る処理温度を有する処理室を備えた反応炉であって、自身の出力レベルを決定するための制御設定点を有し、該処理室を所望の処理温度に加熱するためのヒータを備えた反応炉を準備すること、
    一連の基板のそれぞれを順番に前記処理室内に装填し、次いで前記一連の基板のそれぞれを処理室から取り出し、処理室への基板の装填によって処理温度が低下し、前記制御設定点に設定された前記ヒータが、基板の装填によって処理温度が低下したのちの処理室を所望の処理温度まで再加熱し、装填は、処理室が所望の処理温度にあるほぼそのときに実行され、取り出しは、基板が再び所望の処理温度に達する前に実行されること、
    或る計算条件について処理室を監視し、該計算条件を満足したとき、１つ以上の処理温度読み取り値に基づく新しい制御設定点の計算がトリガーされること、および
    基板の装填または取り出しの頻度と共鳴する頻度で、前記新しい制御設定点を計算し、該制御設定点を再び前記計算条件が満足されるまで保持すること
    を含んでいる方法。
15. 前記制御設定点の計算が、前記計算条件が満足されたときの前またはほぼその間の１つ以上の処理温度読み取り値に基づいて計算される請求項１４に記載の方法。
16. 前記計算が、連続する基板の装填の間に少なくとも１回行なわれる請求項１４に記載の方法。
17. 基板の装填または取り出しによって、前記計算条件が満足されたことになる請求項１４に記載の方法。
18. 連続する基板の装填の間において前記処理室の処理温度が最小温度または最大温度にあるとき、前記計算条件が満足されたことになる請求項１４に記載の方法。
19. 前記計算条件が、前記処理室を通過するガスの流れが変化したときに満足されたことになる請求項１４に記載の方法。
20. 前記ヒータが加熱体を加熱し、これによって前記処理室を所望の処理温度に加熱するよう構成されている請求項１４に記載の方法。
21. 前記加熱体が複数の加熱ゾーンを有し、各加熱ゾーンが別個のヒータによって別個の所望の温度に加熱される請求項２０に記載の方法。
22. 前記制御設定点が、前記加熱体の前記ヒータの近傍の部位に所望される温度である請求項２０に記載の方法。
23. 前記ヒータが第１の温度コントローラに接続されており、該第１の温度コントローラは、前記加熱体の該ヒータの近傍の部位の温度を分析し、該加熱体の該ヒータの近傍の部位の温度を所望の温度に保つべく該ヒータの出力レベルを調整するよう構成された請求項２２に記載の方法。
24. 前記ヒータの出力レベルが、１秒に１回調整される請求項２３に記載の方法。
25. 前記制御設定点が、前記出力レベルの設定である請求項１４に記載の方法。
26. 新しい制御設定点の計算が、すべての処理温度読み取り値を、２番目の基板による処理温度の低下が生じる直前の期間に到着する処理温度読み取り値にフィルタ処理する請求項１４に記載の方法。
27. 前記期間に、１個〜１０個の温度測定値が含まれている請求項２６に記載の方法。

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