JP4634197B2 - 基板処理装置、半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、制御対象の温度や圧力などの状態を制御するための制御手段、例えば、制御対象の温度を制御するための温度調節器を備えた半導体製造装置などの基板処理装置に関し、特に、制御対象の各部の温度を均一に制御するための温度調節器を備えた基板処理装置に関するものである。

例えば、半導体製造プロセスを実行する半導体製造装置などの基板処理装置に備えられた熱処理装置としては、図１に示すような熱酸化装置などがある。この熱酸化装置１は、載置台２に置かれたシリコンのウェーハ３を多数のランプＰで加熱して酸化する枚葉式高速熱処理装置などのＲＴＰ装置である。すなわち、この熱酸化装置１は、ウェーハ３に対して水平方向に分割して配置された多数の加熱体としてのランプＰを何本かごとにまとめ、複数の制御領域（以下、ゾーンと言う）に分けている。この例では、多数のランプＰを４つのゾーン（すなわち、第１ゾーンであるゾーン１０７、第２ゾーンであるゾーン２０７、第３ゾーンであるゾーン３０７、及び第４ゾーンであるゾーン４０７）に分け、それぞれのゾーンに対応する温度測定用放射温度計４（すなわち、第１の温度センサであるＰｒｏｂｅ１０１、第２の温度センサであるＰｒｏｂｅ２０１、及び第３の温度センサであるＰｒｏｂｅ３０１、）を有し、温度制御は図示しないマイクロコンピュータによってゾーンごとに個別に行なわれている。

すなわち、第１の温度センサであるＰｒｏｂｅ１０１の検出値に基づいて、目標温度になるように第１ゾーンであるゾーン１０７のランプＰのパワーが操作され、第２の温度センサであるＰｒｏｂｅ２０１の検出値に基づいて、目標温度になるように第２ゾーンであるゾーン２０７のランプＰのパワーが操作され、第３の温度センサであるＰｒｏｂｅ３０１の検出値に基づいて、目標温度になるように第３ゾーンであるゾーン３０７のランプＰ及び第４ゾーンであるゾーン４０７のランプＰのパワーが操作される。

図４は、図１に示す熱酸化装置における従来の制御ブロックを示す構成図である。図４に示すように、熱酸化装置における従来の制御ブロックにおいては、温度測定用放射温度計４の３つの温度センサであるＰｒｏｂｅ１０１、Ｐｒｏｂｅ２０１、Ｐｒｏｂｅ３０１が検出した温度信号は、それぞれ、ＡＤ変換器７の対応するＡＤ１０２、ＡＤ２０２、ＡＤ３０２によってアナログ温度信号よりデジタル温度信号に変換される。そして、それぞれのデジタル温度信号は、マイクロコンピュータ８のＰＩＤ１０３、ＰＩＤ２０３、及びＰＩＤ３０３に入力されて所定の設定値１０と比較されてＰＩＤ制御（比例・積分・微分制御）が行われる。

それぞれのＰＩＤ１０３、ＰＩＤ２０３、及びＰＩＤ３０３によってＰＩＤ制御された信号は、マイクロコンピュータ８のそれぞれ対応するＢＩＡＳ１０４、ＢＩＡＳ２０４、ＢＩＡＳ３０４、ＢＩＡＳ４０４に入力される。なお、ＰＩＤ３０３の制御信号はＢＩＡＳ３０４及びＢＩＡＳ４０４に入力される。

それぞれのＢＩＡＳ１０４、ＢＩＡＳ２０４、ＢＩＡＳ３０４、ＢＩＡＳ４０４から出力された信号は、ＤＡ変換器９のそれぞれ対応するＤＡ１０５、ＤＡ２０５、ＤＡ３０５、ＤＡ４０５でデジタル温度信号よりアナログ温度信号に変換された後、それぞれ対応するＳＣＲ１０６、ＳＣＲ２０６、ＳＣＲ３０６、ＳＣＲ４０６に入力され、それぞれ、第１ゾーンであるゾーン１０７、第２ゾーンであるゾーン２０７、第３ゾーンであるゾーン３０７、及び第４ゾーンであるゾーン４０７のランプの電力を制御して温度制御を行う。

また、複数ゾーンの中から一部のゾーンの温度を検出することにより、基板面内の均一な温度制御を行うことができる半導体製造装置の温度制御方法に関する技術も開示されている（例えば、特許文献１参照）。この技術によれば、あらかじめ複数ゾーンの加熱源それぞれのパワー比率を定めておき、一部のゾーンの検出温度に基づいてそれぞれの予め定めたパワー比率に基づいてパワー制御を行うことにより、基板の表面全体に亘って均一な温度制御を行うことができる。
特開２００１−２１０５９６号公報（段落番号００３０〜００６１、及び図１参照）

しかしながら、図１に示すような熱酸化装置において各ゾーンは熱的に連続しているので、一つのゾーンのランプによる熱量は、そのゾーンのみならず、他のゾーンの温度センサにも影響を与えてしまう。つまり、各ゾーンは相互に温度干渉を生じる。このような温度干渉のため、ＰＩＤループ間において相互に干渉し合うような制御干渉の状態が生じるため、特に、過渡時や外乱時においては安定した温度制御を行うことが困難となる。また、前記の特許文献１の技術においては、「パワー比率」を設定温度に対応する温度帯ごとに実際の製品ウェーハへの熱処理に先立って予め求めておかなければならず、余計な労力等を費やすこととなり、準備が大変であった。また、「パワー比率」の値を一度設定した際には、その値が固定されて使用することとなり、その時々に発生してしまう外乱による温度の乱れ等に対応できず、安定した温度制御が困難であった。

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、各ゾーン間の温度干渉に対応し、ウェーハなどの制御対象を安定した目標温度に制御することができるような基板処理装置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、基板を処理する処理室と、複数のゾーンに分割して配置された複数の加熱体によって処理室内を加熱する加熱手段（ランプＰ）と、複数のゾーンの各ゾーンに対向するように配置された複数の温度検出手段（温度測定用放射温度計４）と、複数のゾーンのうち第１のゾーン（ゾーン１０７）に含まれる加熱体に対して、あらかじめ設定した目標温度となるように、第１のゾーンに対向する第１の温度検出手段（Ｐｒｏｂｅ１０１）の検出値に基づいて演算を行って第１の操作量（ＭＶ）を求め、第１の操作量に応じて第１のゾーンに含まれる加熱体の加熱制御を行う第１の制御手段（ＰＩＤ１０３）と、複数のゾーンのうち第２のゾーン（ゾーン２０７、ゾーン３０７、ゾーン４０７）に対向する第２の温度検出手段（Ｐｒｏｂｅ２０１、Ｐｒｏｂｅ３０１）の検出値に基づいて演算を行って操作比率（Ｇ）を求め、第１の操作量に操作比率を乗算することにより第２の操作量（Ｇ×ＭＶ）を算出し、第２の操作量に応じて第２のゾーンに含まれる加熱体の加熱制御を行う第２の制御手段（ＰＩＤ２０３と乗算演算処理部１１ａ及びＰＩＤ３０３と乗算演算処理部１１ｂ）とを備える構成を採っている。

本発明の基板処理装置によれば、各ゾーンの分割制御を行うときに各ゾーンで干渉を生じるような制御対象を温度制御する場合、ＰＩＤループ間で相互に悪影響を及ぼすことなく、安定した目標値制御を行うことができる。これによって、従来は基板処理装置の据付時に行わなければならなかった加熱体の各ゾーン間の温度干渉に対応するためのパワー比率調整（パワーバランスチューニング）を行わなくてもよくなる。また、従来の制御ブロックのパラメータ方式では発生する可能性のあった基板処理装置の運用上の設定ミスもなくなる。これによって、信頼性が高く操作性のよい基板処理装置を構築することができるので、ウェーハなどの製品歩留りを向上させることができる。

以下、本発明における基板処理装置の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の基板処理装置に適用される熱酸化装置の構成図である。つまり、図１に示す熱酸化装置１の構成は従来と本発明とにおいて変わるものではないが、ここで、本発明の理解を容易にするために熱酸化装置１の概略的な構成及び動作について改めて説明する。熱酸化装置１は、多数のランプＰによって容器（チャンバ）内（すなわち、処理室）を加熱しながら載置台２に搭載されたウェーハ３に対して所定の酸化処理が施されるように構成されている。すなわち、ウェーハ３に対して水平方向に分割して配置された４つのゾーン（すなわち、第１ゾーンであるゾーン１０７、第２ゾーンであるゾーン２０７、第３ゾーンであるゾーン３０７、及び第４ゾーンであるゾーン４０７）のそれぞれのランプＰによってウェーハ３を加熱している。そして、３つの温度センサからなる温度測定用放射温度計４（すなわち、第１の温度センサであるＰｒｏｂｅ１０１、第２の温度センサであるＰｒｏｂｅ２０１、及び第３の温度センサであるＰｒｏｂｅ３０１、）によってウェーハ３の各部の温度を検出し、図示しないマイクロコンピュータによってゾーンごとに個別に温度制御を行っている。

すなわち、第１の温度センサであるＰｒｏｂｅ１０１の検出値に基づいて、ウェーハ３の温度が目標温度になるように第１ゾーンであるゾーン１０７のランプＰの電力が制御され、第２の温度センサであるＰｒｏｂｅ２０１の検出値に基づいて、ウェーハ３の温度が目標温度になるように第２ゾーンであるゾーン２０７のランプＰの電力が制御され、第３の温度センサであるＰｒｏｂｅ３０１の検出値に基づいて、ウェーハ３の温度が目標温度になるように第３ゾーンであるゾーン３０７のランプＰ及び第４ゾーンであるゾーン４０７のランプＰの電力が制御される。

図２は、図１に示す熱酸化装置における本発明の制御ブロックを示す構成図である。図２における制御ブロックのＰｒｏｂｅ１０１、Ｐｒｏｂｅ２０１、Ｐｒｏｂｅ３０１及びゾーン１０７、ゾーン２０７、ゾーン３０７、ゾーン４０７は、それぞれ、図１に示す同符号のＰｒｏｂｅ及びゾーンに対応している。

図２において、Ｐｒｏｂｅ１０１、Ｐｒｏｂｅ２０１、Ｐｒｏｂｅ３０１とゾーン１０７、ゾーン２０７、ゾーン３０７、ゾーン４０７の間には、それぞれの系統に分離されたＡＤ変換器７、マイクロコンピュータ８ａ、及びＤＡ変換器９と、ＳＣＲ１０６、ＳＣＲ２０６、ＳＣＲ３０６、ＳＣＲ４０６が介在されている。

ＡＤ変換器７は、Ｐｒｏｂｅ１０１、Ｐｒｏｂｅ２０１、Ｐｒｏｂｅ３０１の各系統に対応したＡＤ１０２、ＡＤ２０２、ＡＤ３０２を備えている。また、マイクロコンピュータ８ａは、ＡＤ１０２、ＡＤ２０２、ＡＤ３０２の各系統に対応したＰＩＤ１０３、ＰＩＤ２０３、ＰＩＤ３０３とＢＩＡＳ１０４、ＢＩＡＳ２０４、ＢＩＡＳ３０４、ＢＩＡＳ４０４を備えると共に、入力されたＭＶとＧの値に基づいてＧ×ＭＶという演算を行う乗算演算処理部１１ａ及び乗算演算処理部１１ｂを備えている。なお、ＢＩＡＳ３０４とＢＩＡＳ４０４はＡＤ３０２及びＰＩＤ３０３に対応している。

ＤＡ変換器９は、ＢＩＡＳ１０４、ＢＩＡＳ２０４、ＢＩＡＳ３０４、ＢＩＡＳ４０４の各系統に対応したＤＡ１０５、ＤＡ２０５、ＤＡ３０５、ＤＡ４０５を備えている。さらに、ＤＡ１０５、ＤＡ２０５、ＤＡ３０５、ＤＡ４０５のそれぞれの系統に対応してサイリスタであるＳＣＲ１０６、ＳＣＲ２０６、ＳＣＲ３０６、ＳＣＲ４０６が接続され、ＳＣＲ１０６、ＳＣＲ２０６、ＳＣＲ３０６、ＳＣＲ４０６のそれぞれの系統に対応してゾーン１０７、ゾーン２０７、ゾーン３０７、ゾーン４０７が接続されている。

次に、図１を参照しながら図２に示す制御ブロックの動作を説明する。図１に示すように、Ｐｒｏｂｅ１０１はウェーハ３の中心部分の温度を検出し、この検出温度信号は、図２に示すＡＤ変換器７のＡＤ１０２によってアナログ温度信号からデジタル温度信号に変換された後にマイクロコンピュータ８ａのＰＩＤ１０３へ入力される。そして、ＰＩＤ１０３が、所定の設定値１０とＡＤ１０２から入力されたデジタル温度信号の検出温度とに基づいてＰＩＤ演算を行い、Ｐｒｏｂｅ１０１の温度が設定値１０の温度になるように操作量の演算を行う。

さらに、ＰＩＤ１０３が演算した操作量はＢＩＡＳ１０４を経由してＤＡ変換器９のＤＡ１０５に入力されてアナログ温度信号に変換された後、半導体制御素子であるＳＣＲ１０６に入力される。これによって、ＳＣＲ１０６は演算された操作量に比例して第１ゾーンであるゾーン１０７のランプＰの電力量制御（加熱制御）を行う。つまり、ゾーン１０７のランプＰには、ＰＩＤ１０３の演算結果の操作量に比例した電力が出力されるので、Ｐｒｏｂｅ１０１の温度が設定値１０の温度になるように制御される。なお、ＰＩＤ１０３の演算結果は、一般的には、−５％〜＋１０５％という範囲の値になるように制御される。

次に、Ｐｒｏｂｅ２０１はウェーハ３におけるＰｒｏｂｅ２０１で検出する位置よりも外部の温度を検出し、この検出温度信号は、図２に示すＡＤ変換器７のＡＤ２０２によってアナログ温度信号からデジタル温度信号に変換された後にマイクロコンピュータ８ａのＰＩＤ２０３へ入力される。そして、ＰＩＤ２０３が、所定の設定値１０とＡＤ２０２から入力されたデジタル温度信号の検出温度とに基づいてＰＩＤ演算を行い、Ｐｒｏｂｅ２０１の温度が設定値１０の温度になるように操作量の演算を行う。

ただし、ＰＩＤ２０３が行うＰＩＤ演算は、ランプＰの電力の操作量を求めるのではなく、Ｐｒｏｂｅ１０１の温度検出値に基づいて求められた操作量、すなわちＰＩＤ１０３の演算結果を何倍にして出力するかを求めるＰＩＤ演算として動作する。

つまり、ＰＩＤ２０３の演算結果“Ｇ”は、乗算演算処理部１１ａに入力されてＰＩＤ１０３の演算結果“ＭＶ”と乗算される。そして、乗算結果である“Ｇ×ＭＶ”が、ＢＩＡＳ２０４を経由してＤＡ変換器９のＤＡ２０５に入力されてアナログ温度信号に変換された後、半導体制御素子であるＳＣＲ２０６に入力される。これによって、ＳＣＲ２０６は、乗算演算処理部１１ａの乗算結果である“Ｇ×ＭＶ”に比例して第２ゾーンであるゾーン２０７のランプＰの電力量制御を行う。つまり、第２ゾーンであるゾーン２０７のランプＰには、乗算演算処理部１１ａの乗算結果“Ｇ×ＭＶ”の操作量に比例した電力が出力されて温度制御が行われる。

さらに、Ｐｒｏｂｅ３０１はウェーハ３における外周部分の温度を検出し、この検出温度信号は、図２に示すＡＤ変換器７のＡＤ３０２によってアナログ温度信号からデジタル温度信号に変換された後にマイクロコンピュータ８ａのＰＩＤ３０３へ入力される。そして、ＰＩＤ３０３が、所定の設定値１０とＡＤ３０２から入力されたデジタル温度信号の検出温度とに基づいてＰＩＤ演算を行い、Ｐｒｏｂｅ３０１の温度が設定値１０の温度になるように操作量の演算を行う。

ただし、ＰＩＤ３０３が行うＰＩＤ演算についても、前述のＰＩＤ２０３が行ったＰＩＤ演算と同様に、ランプＰの電力の操作量を求めるのではなく、Ｐｒｏｂｅ１０１の温度検出値に基づいて求められた操作量、すなわちＰＩＤ１０３の演算結果を何倍にして出力するかを求めるＰＩＤ演算として動作する。

つまり、ＰＩＤ３０３の演算結果“Ｇ”は、乗算演算処理部１１ｂに入力されてＰＩＤ１０３の演算結果“ＭＶ”と乗算される。そして、乗算結果である“Ｇ×ＭＶ”が、ＢＩＡＳ３０４及びＢＩＡＳ４０４を経由してＤＡ変換器９のＤＡ３０５及びＤＡ４０５に入力されてアナログ温度信号に変換された後、半導体制御素子であるＳＣＲ３０６及びＳＣＲ４０６に入力される。これによって、ＳＣＲ３０６及びＳＣＲ４０６は、乗算演算処理部１１ｂの乗算結果である“Ｇ×ＭＶ”に比例して第３ゾーンであるゾーン３０７のランプＰ及び第４ゾーンであるゾーン４０７のランプＰの電力量制御を行う。つまり、第３ゾーンであるゾーン３０７及び第４ゾーンであるゾーン４０７のランプＰには、乗算演算処理部１１ｂの乗算結果“Ｇ×ＭＶ”の操作量に比例した電力が出力されて温度制御が行われる。

なお、ＰＩＤ２０３及びＰＩＤ３０３の演算結果は、例えば−１５％〜３００％という範囲の値をとる。または、ＰＩＤ２０３及びＰＩＤ３０３の演算結果“Ｇ”は一般的な−５％〜１０５％としておき、乗算演算処理部１１ａ，１１ｂによる演算処理の中で、［ゲイン定数］×［Ｇ］×［ＭＶ］という演算を行うことにして、ゲイン定数をパラメータ化してもよい。

このようにすることにより（つまり、図２に示すような制御ブロックの方式にすることにより）、ウェーハ３における外周部のランプＰの電力が、ウェーハ３における中心部のランプＰの電力より大きくなるような電力分布になるので、ウェーハ３の面内温度の分布をほぼ均一にすることができる。

また、図２に示すような制御ブロックの方式では、ウェーハ３の表面温度の分布はＰＩＤ１０３で制御し、ウェーハ３の面内温度の分布はＰＩＤ２０３とＰＩＤ３０３で補正制御するという作用になる。したがって、図４に示す従来の制御ブロックによる制御方式で発生したようなＰＩＤループ間で相互干渉を及ぼすような不安定な制御状態は発生しにくくなるので、本発明の基板処理装置では安定した温度制御を行うことができる。

なお、図２に示すように、Ｐｒｏｂｅ１０１のＰＩＤ演算結果を“ＭＶ”とし、Ｐｒｏｂｅ２０１及びＰｒｏｂｅ３０１のＰＩＤ演算結果を“Ｇ”として、乗算演算処理部１１ａ，１１ｂが“Ｇ×ＭＶ”として乗算しているメリットは次の点にある。すなわち、特にランプ制御のような熱輻射による加熱を主とする反応速度の速い制御系の場合は、ＰＩＤパラメータも反応速度の速い設定にしなければならない。しかし、例えば“ＭＶ−Ｇ”や“Ｇ＋ＭＶ”というような加減算での制御方式であると、ＰＩＤ演算結果が激しく変化した場合に、その変化量がそのままランプ電力の変化量となってしまうので、そのまま処理室内やウェーハの温度変化すなわちＰｒｏｂｅの検出する温度変化となって現われてしまう。つまり、補正の効き具合が強すぎてしまう。

そのため、ＰＩＤ演算がその効果の効き具合を打ち消そうとして、さらに激しく“ＭＶ”を変化させてしまうことになる。それにより、より激しく処理室内やウェーハの温度すなわちＰｒｏｂｅの検出する温度がハンチングする結果となってしまう。つまり、温度制御系が不安定になってしまう。そこで、Ｐｒｏｂｅ２０３、Ｐｒｏｂｅ３０３の検出値による補正の効果をマイルドに出せるようにするために、本発明の制御ブロックでは“Ｇ×ＭＶ”の制御方式にした。このような“Ｇ×ＭＶ”の制御方式では、Ｐｒｏｂｅ２０３、Ｐｒｏｂｅ３０３の検出値による補正の効果は“ＭＶ”に比例させるよう、“ＭＶ”の何％と言うように効くので、結果的に補正の効果がマイルドになる。例えば、ＰＩＤの演算結果の分解能が１％単位だと仮定する。このとき、ＰＩＤ１０３の演算結果が“１０％”だとする。このとき“ＭＶ±Ｇ”方式の場合、ＰＩＤ２０３の演算結果は１％単位でしか変化しないので、ゾーン２のＳＣＲに出力される補正後の操作量の最小変化量は“１％”となる。つまり、“ＭＶ±Ｇ”方式の場合は、ＰＩＤ演算結果の分解能がそのままＳＣＲ操作量の分解能となる。一方、“Ｇ×ＭＶ”方式の場合、これはＰＩＤ１０３の“ＭＶ”値（＝１０％）×ＰＩＤ２０３の“ＭＶ値”（＝１％）ということになり、ゾーン２０７のＳＣＲに出力される補正後の操作量の最小変化量は０．１％となることになり、補正の効果をマイルドにすることができる。もちろん、この最小変化量は、ＰＩＤ１０３のＭＶ値が大きい場合は最小変化量は大きくなり、ＰＩＤ１０３のＭＶ値が小さい場合は最小変化量は小さくなる。しかし、一般的なランプの出力特性は、操作量が小さい（〜５０％位まで）間はランプの出力エネルギが急激に立ち上がり、それ以上の操作量（５０％〜）の間ではランプの出力エネルギはあまり変化しないという、グラフに表すとΓ型の変化を示すので、それに適した操作量の動きとなる。

また、乗算演算処理部１１ａ，１１ｂによる演算処理の中で、［ゲイン定数］×［Ｇ］×［ＭＶ］という演算を行うことにより、ウェーハ外周部のランプ電力がウェーハ中心部のランプ電力より大きくなるような分布状態となる理由は次の通りである。すなわち、ＰＩＤの演算結果は、一般的には−５％〜＋１０５％の値を採ることが多い。しかし、“Ｇ×ＭＶ”の制御方式では、ＰＩＤの演算結果をゲインとして使用しているため、１００％以上の値も採りたいわけである。もちろん、この“ＭＶ”値の変化範囲は、例えば−１５％〜＋３００％などというようにＰＩＤの計算式次第で自由に変えてもよい。

しかし、図２に示す制御ブロック（コントローラ）では、ＰＩＤの演算処理はブロック化（つまり関数化）されており、そこに設定値，Ｐ，Ｉ，Ｄのパラメータなどを設定し、Ｐｒｏｂｅの温度検出値が入力されると“ＭＶ”が求められる。このとき、ＰＩＤ演算ブロックの“ＭＶ”値が−５％〜＋１０５％の範囲であったために、これを３００％程度までの大きな範囲として使用したいために、「ゲイン定数」として「３」を設定し、−５％〜１０５％のＰＩＤ演算結果を−１５％〜＋３００％に増幅して使用する。つまり、ＰＩＤ演算の“ＭＶ”変化範囲を−１５％〜３００％と設定してＰＩＤ計算するのと、〔（ゲイン定数＝３）×（ＰＩＤ演算結果の“ＭＶ“値（５％〜１０５％））とは、変化範囲としては、同じ範囲となる。

次に、ＰＩＤ２０３、ＰＩＤ３０３の演算結果をＰＩＤ１０３の演算結果範囲―５％〜１０５％よりも範囲の広い−１５％〜３００％とする場合の温度制御のメリットについて具体例を挙げて説明すると、ゾーン１０７、２０７、３０７、４０７はお互いに干渉しているため、例えばゾーン１０７とゾーン３０７にパワー出力をすると、ゾーン２０７もその煽りを受けて温度が上がってしまう場合があり、そのような状態でさらにＳＣＲ２０６に出力するとゾーン２０７はパワー過剰になり温度が高くなってしまう。このような場合、例えばゾーン１０７の出力が３０％、ゾーン２０７の出力が２５％、ゾーン３０７およびゾーン４０７の出力が４５％といったパワー出力バランスになることが必要となり、“Ｇ×ＭＶ”の演算結果はＰＩＤ１０３の演算結果より少なくとも低くする必要があり、少なくともＰＩＤ２０３の演算結果は、１００％未満の値となる必要がある。また、例えば、ウェーハを処理室内で連続熱処理した場合、チャンバの内壁等ウェーハの周りの部材に熱が蓄積されることがあり、例えば、ウェーハの周りの部材の温度が４００℃位になっているとする。この場合、次回に熱処理するウェーハは、処理室内に常温でチャンバ内の載置台２に搭載されるため、搭載された時点ではウェーハの周りの部材の方が温度が高い状態となる。この熱の影響により、ウェーハは前記部材の熱を受けて外周側から先に温まり始めることになる。その場合、マイクロコンピュータ８は、Ｐｒｏｂｅ２０３、Ｐｒｏｂｅ３０３の検出する温度を受けて設定と比較し、ＰＩＤ２０３、ＰＩＤ３０３の演算値を１００％未満の値（−１５％〜９９％）とし、“Ｇ×ＭＶ”の演算結果は、ＰＩＤ１０３の演算値より低くすることとなる。これにより、ウェーハの中心部をウェーハの外周側より大きいパワー出力とすることとなる。また、マイクロコンピュータ８は、ウェーハの温度を設定値（例えば、９００℃）にしようと制御するので、パワー出力がウェーハ外周側に比べて大きいウェーハの中心部の温度は、その後、しばらくするとウェーハ外周部の温度を追い越して高くなる。このような状態では、反対に、ウェーハ中心部の温度よりウェーハ外周側の温度を高くする必要があり、マイクロコンピュータ８はＰＩＤ２０３、ＰＩＤ３０３の演算値を１００％を上回る値（１０１％〜３００％）とし、“Ｇ×ＭＶ”の演算結果を出力し、ＰＩＤ１０３の演算値より高くすることができる。このように、チャンバ内の温度変化状況に応じた温度制御が可能となる。

以上説明した本発明の内容を要約すると、一般的に、物体を加熱する場合においては、十分に大きい熱源の上に被加熱物を置き、例えば、ウェーハを加熱する熱エネルギが熱源から一様な分布で面内に放出されている場合は、ウェーハの面内温度もほぼ一様になる。しかし、実際には、ウェーハの外周部からチャンバの壁面などに熱が逃げて行くため、面内の中心部を頂点とした山型の温度分布になる場合が多い。図３は、ウェーハの加熱時における一般的な温度分布の特性図である。すなわち、図３に示すようにウェーハの中心部を頂点とした山型の温度分布になっている。この場合、この山型の温度分布と上下逆の電力分布を熱源に与えることにより、ウェーハの温度分布は均一になる。

そこで、ＰＩＤ１０３の演算結果を第２ゾーンであるゾーン２０７、第３ゾーンであるゾーン３０７、及び第４ゾーンであるゾーン４０７に出力するときに、一定量のパワーを加算して出力する方法や一定の比率でパワー配分をして出力する方法などが用いられている。

しかし、実際にはこのようなケースの場合、ウェーハの温度が高くなればなるほど、外部に逃げて行く熱量も大きくなるため、このウェーハの温度分布の形態は目標温度によって変化するため、パワーバイアスやパワー比率の値は目標温度ごとに個別に設定しなければならない。このような個別設定の方法では、基板処理装置の据付時におけるチューニングに時間とコストがかかるなどの不具合が生じる。また、基板処理装置の運用中にパラメータの設定ミスが発生した場合は処理すべきウェーハに不良品が生じて製品歩留りが低下するなどの不具合が生じる。また、仮に１度目のウェーハへの熱処理が所望のウェーハ面内温度分布にて処理されたとしても、次回のウェーハへの熱処理時には、１度目の熱処理時の熱がチャンバ壁面等に残留している場合があり、その場合、その残留した熱の影響を特にウェーハの外周部では受け易いが、このような外影響を踏まえずに温度制御すると、所望のウェーハ面内温度分布にて処理することができなくなってしまう。このチャンバ壁面等の熱の残留によるウェーハ面内温度分布の乱れは、連続回引き続き熱処理をすると、熱が蓄積され、さらに顕著となってしまう。そこで、本発明のような制御ブロックの方式を適用することにより、チューニングの手間を省くことができると共に、基板処理装置の設定ミスによる製品歩留りの低下を防止することができ、さらに外影響による温度の乱れにも対応した温度制御ができる。

以上述べた実施の形態より、本発明の基板処理装置は次のように構成することができる。すなわち、本発明の基板処理装置は、制御対象（ウェーハ３）の状態を検出する複数の検出部（温度測定用放射温度計４）と、複数のＰＩＤ演算手段（ＰＩＤ１０３、ＰＩＤ２０３、ＰＩＤ３０３）と、複数の操作量出力部（ＳＣＲ１０６、ＳＣＲ２０６、ＳＣＲ３０６、ＳＣＲ４０６）とを備えた基板処理装置において、制御対象の中心の検出値に基づいて制御対象を所定の目標値になるように操作量を演算する第１のＰＩＤ制御ループ（ＰＩＤ１０３）と、その他の部分の検出値に基づいて前記操作量にかけるゲインを調整する第２のＰＩＤ制御ループ（ＰＩＤ２０３、ＰＩＤ３０３、乗算演算処理部１１ａ、乗算演算処理部１１ｂ）を有する制御ブロックを備える構成を採っている。

また、本発明の基板処理装置は次のように構成することもできる。すなわち、本発明の基板処理装置は、基板を処理する処理室と、複数のゾーンに区分けされて配置された複数の加熱体によって処理室内を加熱する加熱手段（ランプＰ）と、複数のゾーンのそれぞれのゾーンに対向するよう配置された複数の温度検出手段（温度測定用放射温度計４）と、複数のゾーンのうちの所定のゾーンに含まれる加熱体に対して、あらかじめ設定した目標温度となるように所定のゾーンに対向する第１の温度検出手段（Ｐｒｏｂｅ１０１）の検出値に基づいてＰＩＤ演算して第１の操作量を求める第１のＰＩＤ制御ループ（ＰＩＤ１０３）と、複数のゾーンのうちのその他の各ゾーンそれぞれに対向する第２の温度検出手段（Ｐｒｏｂｅ２０１及びＰｒｏｂｅ３０１）の検出値に基づいてＰＩＤ演算して操作比率を求める第２のＰＩＤ制御ループ（ＰＩＤ２０３、ＰＩＤ３０３、乗算演算処理部１１ａ、乗算演算処理部１１ｂ）とを備える構成を採ることもできる。

また、本発明の基板処理装置は次のように構成することもできる。すなわち、本発明の基板処理装置は、前記発明の構成に加えて、前記操作比率と前記第１の操作量とを乗算することによりその他の各ゾーンそれぞれの第２の操作量を求める構成を採ることもできる。

また、本発明の基板処理装置は次のように構成することもできる。すなわち、本発明の基板処理装置は、前記発明の構成に加えて、前記第１の温度検出手段（Ｐｒｏｂｅ１０１）は、前記基板の主面に対し中心側を検出するように配置され、前記第２の温度検出手段（Ｐｒｏｂｅ２０１及びＰｒｏｂｅ３０１）は前記第１の温度検出手段に比べ、前記基板の主面に対し周縁側を検出するように配置された構成を採ることもできる。

また、本発明の基板処理装置は次のように構成することもできる。すなわち、本発明の基板処理装置は、前記発明の構成に加えて、第１の操作量より第２の操作量を大きくするように構成することもできる。

また、本発明は基板処理装置における温度制御方法を提供することもできる。すなわち、基板を処理する処理室と、複数のゾーンに区分けされ配置された複数の加熱体によって処理室内を加熱する加熱手段と、複数のゾーンのそれぞれのゾーンに対向するよう配置された複数の温度検出手段とを備え、複数のゾーンのうちの所定のゾーンに含まれる加熱体に対して、あらかじめ設定した目標温度となるよう所定のゾーンに対向する第１の温度検出手段の検出値に基づいて演算して第１の操作量を求める手順と、第１の操作量に応じて制御し、複数のゾーンのうちのその他の各ゾーンそれぞれに対向する第２の温度検出手段の検出値に基づいて演算して操作比率を求める手順と、第１の操作量に対して操作比率を乗算することによりその他の各ゾーンそれぞれの第２の操作量を求めて第２の操作量に応じて制御する手順とを含む温度制御方法を提供することもできる。

また、本発明は半導体装置の製造方法を提供することもできる。すなわち、基板を処理する処理室と、処理室に処理ガスを供給するガス供給手段と、処理室内を排気する排気手段と、複数のゾーンに区分けされ配置された複数の加熱体によって処理室内を加熱する加熱手段と、複数のゾーンのそれぞれのゾーンに対向するよう配置された複数の温度検出手段とを備えた基板処理装置を用いて基板を処理する半導体装置の製造方法において、複数のゾーンのうちの所定のゾーンに含まれる加熱体に対して、あらかじめ設定した目標温度となるように所定のゾーンに対向する第１の温度検出手段の検出値に基づいて演算して第１の操作量を求め、第１の操作量に応じて電力量の制御を行う工程と、複数のゾーンのうちのその他の各ゾーンそれぞれに対向する第２の温度検出手段の検出値に基づいて演算して操作比率を求める工程と、第１の操作量に操作比率を乗算することによりその他の各ゾーンそれぞれの第２の操作量を求め、第２の操作量に応じて電力量の制御する工程と、処理室にガスを供給しつつ排気して基板を処理する工程とを含む半導体装置の製造方法を提供することもできる。

本発明の基板処理装置に適用される熱酸化装置の構成図である。 図１に示す熱酸化装置における本発明の制御ブロックを示す構成図である。 ウェーハの加熱時における一般的な温度分布の特性図である。 図１に示す熱酸化装置における従来の制御ブロックを示す構成図である。

符号の説明

１ 熱酸化装置
２ 載置台
３ ウェーハ
４ 温度測定用放射温度計
７ ＡＤ変換器
８，８ａ マイクロコンピュータ
９ ＤＡ変換器
１０ 設定値
１１ａ，１１ｂ 乗算演算処理部
１０１，２０１，３０１ Ｐｒｏｂｅ
１０２，２０２，３０２ ＡＤ
１０３，２０３，３０３ ＰＩＤ
１０４，２０４，３０４，４０４ ＢＩＡＳ
１０５，２０５，３０５，４０５ ＤＡ
１０６，２０６，３０６，４０６ ＳＣＲ
１０７，２０７，３０７，４０７ ゾーン

Claims (2)

1. 基板を処理する処理室と、複数のゾーンに分割して配置された複数の加熱体によって前記処理室内を加熱する加熱手段と、前記複数のゾーンの各ゾーンに対向するように配置された複数の温度検出手段と、前記複数のゾーンのうち第１のゾーンに含まれる加熱体に対して、あらかじめ設定した目標温度となるように、前記第１のゾーンに対向する第１の温度検出手段の検出値に基づいて演算を行って第１の操作量を求め、該第１の操作量に応じて前記第１のゾーンに含まれる加熱体の加熱制御を行う第１の制御手段と、前記複数のゾーンのうち第２のゾーンに対向する第２の温度検出手段の検出値に基づいて演算を行って操作比率を求め、前記第１の操作量に前記操作比率を乗算することにより第２の操作量を算出し、該第２の操作量に応じて前記第２のゾーンに含まれる加熱体の加熱制御を行う第２の制御手段とを備えてなることを特徴とする基板処理装置。
2. 基板を処理する処理室と、処理室に処理ガスを供給するガス供給手段と、処理室内を排気する排気手段と、複数のゾーンに区分けされ配置された複数の加熱体によって処理室内を加熱する加熱手段と、複数のゾーンのそれぞれのゾーンに対向するよう配置された複数の温度検出手段とを備えた基板処理装置を用いて基板を処理する半導体装置の製造方法において、複数のゾーンのうちの所定のゾーンに含まれる加熱体に対して、あらかじめ設定した目標温度となるように所定のゾーンに対向する第１の温度検出手段の検出値に基づいて演算して第１の操作量を求め、第１の操作量に応じて電力量の制御を行う工程と、複数のゾーンのうちのその他の各ゾーンそれぞれに対向する第２の温度検出手段の検出値に基づいて演算して操作比率を求める工程と、第１の操作量に操作比率を乗算することによりその他の各ゾーンそれぞれの第２の操作量を求め、第２の操作量に応じて電力量を制御する工程と、処理室にガスを供給しつつ排気して基板を処理する工程とを含む半導体装置の製造方法。

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