JP4938552B2 - 加熱装置および加熱装置の制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、被加熱基板を加熱するための加熱装置および加熱装置の制御方法に関するものである。

従来の高速熱処理成膜装置は、サセプターを昇降温速度の速い材質で形成し、サセプターの下方に、昇降温速度の速い素線から形成した抵抗加熱ヒータを上下動自在に配設し、通常はヒータを下降させた状態でサセプターが比較的低温の状態となるように温度コントロールし、基板を加熱する際はヒータを上昇させると同時に、ヒータの出力を上げて基板を高速昇温させる（例えば、特許文献１参照）。
また、従来の加熱装置は、ウェハを支持するプロキシミティピンをホットプレートに対して昇降することによりウェハとホットプレートとの間の距離（プロキシミティギャップ）を変化させ、ホットプレートの温度を一定に保った状態で、プロキシミティギャップおよびプロキシミティピンの昇降速度を制御してウェハの処理温度を変更する（例えば、特許文献２）。

特開平８−１７６８３１号公報（段落番号[０００５]、[００１３]、図１、図２、図７等） 特開平６−１８１１７３号公報（段落番号[００１３]、[００２０]、[００２１]、図１等）

従来の加熱装置では、温度制御を実現させるために、ヒータの出力を高速に変化させる必要があるため、ヒータが劣化しやすく寿命が短くなるという問題があった。また、昇降温速度の速い基板保持材料とヒータユニットが必須であり、材料選択などの設計制約条件が多く、高価な装置となってしまう問題があった。
また、ヒータの温度を一定に保ち、基板を昇降して基板とヒータとの距離および基板の昇降速度を変化させることによりウェハの処理温度を変更する場合には、その距離および速度の微妙な調整が必要となる。そして、その微妙な調整のために高精度の昇降メカ機構が必要であり、高価な装置となってしまう問題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、安価な設備で安定した温度制御が可能な加熱装置および加熱装置の制御方法を得ることを目的とする。

この発明の加熱装置は、被加熱基板が載置され被加熱基板を支持する熱容量の小さい支持板と、支持板の下方に上下動可能に配置されて上記支持板との接触により上記支持板を加熱する熱容量の大きいホットプレートと、ホットプレートを上下に移動させるアクチュエータと、アクチュエータをＯＮで上昇させホットプレートと支持板とを接触させ、ＯＦＦで下降させホットプレートと支持板とを離れさせる、ＯＮ／ＯＦＦ制御を行う制御手段とを備えている。そして、制御手段が一定周期内のＯＮ／ＯＦＦ比率を変えてアクチュエータを駆動させホットプレートと支持板との面接触時間を変化させて上記支持板に載置された被加熱基板の温度を制御するものである。

また、この発明の加熱装置の制御方法は、被加熱基板が載置され被加熱基板を支持する熱容量の小さい支持板と、支持板の下方に上下動可能に配置されて上記支持板との接触により上記支持板を加熱する熱容量の大きいホットプレートと、ホットプレートを上下に移動させるアクチュエータと、アクチュエータをＯＮで上昇させホットプレートと支持板とを接触させ、ＯＦＦで下降させホットプレートと支持板とを離れさせる、ＯＮ／ＯＦＦ制御を行う制御手段とを備えた加熱装置の制御方法である。そして、ホットプレートの温度を一定に保った状態で、制御手段が一定周期内のＯＮ／ＯＦＦ比率を変えてアクチュエータを駆動させホットプレートと支持板との面接触時間を変化させて上記支持板に載置された被加熱基板の温度を制御するものである。

この発明の加熱装置によれば、制御手段が一定周期内のＯＮ／ＯＦＦ比率を変えてアクチュエータを駆動させホットプレートと支持板との面接触時間を変化させることにより、被加熱基板の温度制御を行うため、ホットプレートの温度を一定に保った状態で被加熱基板を温度制御することができる。従って、ホットプレートに使用されるヒータの劣化を防ぐとともに、簡単な構成で高精度に被加熱基板の温度を制御することができ、安価な加熱装置を提供することができる。

またこの発明の加熱装置の制御方法によれば、ホットプレートの温度を一定に保った状態で、制御手段が一定周期内のＯＮ／ＯＦＦ比率を変えてアクチュエータを駆動させホットプレートと支持板との面接触時間を変化させることにより、被加熱基板の温度を制御する。従って、ホットプレートに使用されるヒータの劣化を防ぐとともに、簡単な構成の加熱装置で高精度に被加熱基板の温度を制御することができる。

実施の形態１．
図１および図２はこの発明の実施の形態１による加熱装置を示す断面図である。図１、図２に示すように、加熱装置１００は、被加熱基板１を載置して支持する支持板２と、支持板の下方に配置されるホットプレート３と、ホットプレート３を下方から支持するスプリング４と、スプリング４が設置されこのスプリング４を介してホットプレート３を支持する受け板５と、受け板５を上下に移動させるアクチュエータ６と、アクチュエータ６を上下駆動させる制御手段７を備えている。

支持板２は、必要剛性を確保しつつできるだけ平坦で薄く加工することが望ましく、その材質としては熱容量の小さい、例えば銅、アルミニウム、ステンレス鋼等の金属等を使用する。この支持板２は熱伝導率の小さいガラエポ等の絶縁材料を介して支持フレーム２１に固定されており、被加熱基板１は支持板２の上面と面接触するように載置されている。
ホットプレート３は内部にヒータ３１（図３参照）と熱電対などのプレート温度検出器３２とを有し、プレート温度検出器３２でホットプレート３の温度を計測してヒータ３１の出力を制御することによりホットプレート３の温度を調整することができる。なお、本実施の形態１ではホットプレート３の内部にプレート温度検出器３２を設置しているが、これに限られるものではなく、例えばホットプレート３とは別に外部に設けてもよい。
支持板２およびホットプレート３の中央部にはそれぞれ貫通孔２２、３３が設けられており、この貫通孔２２、３３には、被加熱基板１の下面温度を計測するための基板温度検出器８が配置されている。そして、基板温度検出器８は、支持板２、ホットプレート３およびスプリング４と干渉しないように図示しない固定具により支持フレーム２１に固定されている。
アクチュエータ６は、エアシリンダー等のエア駆動タイプや電磁ソレノイドなどの電磁駆動タイプを使用し、制御手段７からのＯＮ／ＯＦＦ指令により上下駆動される。
制御手段７は、ＯＮでアクチュエータ６を上昇させホットプレート３の上面と支持板２の下面とを接触させ、ＯＦＦでアクチュエータ６を下降させホットプレート３の上面と支持板２の下面とを離れさせる、ＯＮ／ＯＦＦ制御を行う。これにより、ホットプレート３の上面と支持板２の下面との面接触時間を変化させて、被加熱基板１の温度が制御をされる。
被加熱基板１の上方には、排気ダクト１０を設けており、この排気ダクト１０は、ホットプレート３の熱で雰囲気温度が上昇して加熱制御に影響を与えることを防ぐために、換気を行っている。もちろん、排気ダクト１０に限らず、雰囲気を循環させるなど雰囲気温度の上昇を防ぐことができる換気手段であればどうようなものを設置してもよい。

ここで、アクチュエータ６の上下駆動とホットプレート３の位置および状態について説明する。
図１は制御手段７のＯＦＦ指令でアクチュエータ６が下方へ移動することによりホットプレート３の上面と支持板２の下面が離れている状態（下降状態）を示し、図２は制御手段７のＯＮ指令でアクチュエータ６が上方へ移動することによりホットプレート３の上面と支持板２の下面が接触している状態（上昇状態）を示している。
図１の下降状態においては、支持板２とホットプレート３が十分な間隔を持って配置されており、ホットプレート３の熱により支持板２が加熱されない、すなわち支持板２に載置された被加熱基板１が加熱されない状態である。
図２の上昇状態においては、支持板２とホットプレート３が接触し、被加熱基板１が支持板２と接触して載置されているため、ホットプレート３の熱が伝導することにより被加熱基板１が加熱される状態である。
ホットプレート３はアクチュエータ６が上下駆動することによりこの２つの位置、すなわち下降状態または上昇状態のいずれかの位置にセットされている。
なお、ホットプレート３が受け板５やアクチュエータ６に直接支持される構成としても、ホットプレート３は上記いずれか２つの位置にセットするだけでよいため、その位置決めは容易であるが、本実施の形態１のように、ホットプレート３と受け板５の間に弾性部材であるスプリング４を介する構成とすれば、スプリング４が上下方向に弾性変形することによりホットプレート３の上面と支持板２の下面をより簡単に密着させることができ、接触させるための位置決めがさらに容易となる。なお、弾性部材はスプリング４に限られず、上下方向に弾性変形するものであれば適用することができる。

次に、本実施の形態１の加熱装置１００の制御系の概略を説明する。
図３は本実施の形態１による加熱装置１００の制御ブロック図であり、図４は本実施の形態１における規定温度プロファイルとこの温度プロファイルに対応するアクチュエータの駆動状態を示す図である。

図３に示すように、制御手段７はＣＰＵ等からなる制御部７１と制御部７１に接続され制御データ等が記憶されるハードディスク等からなる記憶部７２とを備えている。制御部７１はアクチュエータ６に接続され、記憶部７２に記憶された制御データ等に基づいてアクチュエータ６の駆動を制御する。また、制御部７１は基板温度検出器８と接続され、基板温度検出器８で計測された被加熱基板１の下面温度データを得てフィードバック制御をする。
ホットプレート３に備えられたヒータ３１およびプレート温度検出器３２は、温調器９に接続されており、プレート温度検出器３２で計測されたホットプレート３の温度データに基づいて温調器９で温度モニタし、温調器９によりヒータ３１の出力を制御することにより、ホットプレート３は所定の設定温度に一定して保たれる。
また、温調器９と制御部７１は、例えばシリアル通信などのデータ通信手段等を介して接続されている。そして、被加熱基板１の種類の変更や使用用途の変更により規定温度プロファイルを変更する際に、必要に応じて制御部７１から温調器９へホットプレート３の設定温度変更を指令したり、また、温調器９から制御部７１へホットプレート３の温度データの送信等を行う。

記憶部７２には、例えば、図４（ａ）に示すような温度プロファイルが記憶されている。ここで、温度プロファイルとは、加熱装置１００に載置された被加熱基板１をどのように温度変化させるかを示すものであり、あらかじめ設定する被加熱基板１の時間に対する温度変化の計画ラインである。そして図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す温度プロファイル通りに被加熱基板１が温度変化するような、時間に対するアクチュエータ６の上昇状態（ＯＮ）および下降状態（ＯＦＦ）を示している。
ここで、上述の通り、アクチュエータ６の上昇は制御手段７に備えられた制御部７１からのＯＮ指令により実行され、ホットプレート３の上面と支持板２の下面とが接触する。また、アクチュエータ６の下降は制御部７１からのＯＦＦ指令により実行され、ホットプレート３の上面と支持板２の下面とが離れる。
このような温度プロファイルに対応するアクチュエータ６の一定周期内の上昇状態と下降状態の継続時間比、すなわち制御部７１の一定周期内のＯＮ／ＯＦＦ比率をあらかじめ実験等により測定し、このデータも記憶部７２に記憶させておく。そして、実際に被加熱基板１を加熱する際には、制御部７１が図４（ｂ）に示すような一定周期内のＯＮ／ＯＦＦ比率を変化させるＰＷＭ制御をすることにより、温度プロファイルに沿う温度加熱を実行する。
なお、被加熱基板の種類や、その用途、条件によって、各場合に応じた複数の温度プロファイルを準備し、各温度プロファイルに対応する一定周期内のＯＮ／ＯＦＦ比率をあらかじめ測定して、これらのデータを制御データとして記憶部７２に記憶させておけば、状況に応じて使用する温度プロファイルを選択し、制御部７１が選択した温度プロファイルに対応する一定周期内のＯＮ／ＯＦＦ比率によりＰＷＭ制御を行い、場合に応じた加熱を実施することができる。

次に被加熱基板１の加熱手順を説明する。本実施の形態１では、記憶部７２に記憶されている複数の温度プロファイルから、図４（ａ）に示す温度プロファイルを規定温度プロファイルとして選択し、図４（ａ）に示す規定温度勾配ΔＴで目標設定温度ＭａｘＴまで被加熱基板１を加熱する場合について説明する。
まず、あらかじめホットプレート３の温度を図４（ａ）の規定温度プロファイルに対応する設定温度に保っておく。
そして、被加熱基板１を支持板２上の所定位置に載置して、規定温度プロファイルに基づいて加熱を開始する。すなわち、図４（ｂ）に示す一定周期Ｔ内のＯＮ／ＯＦＦ比率に基づき、制御部７１がアクチュエータ６の上下駆動を開始する。

基板温度検出器８で計測された被加熱基板１の下面温度データは随時制御部７１にフィードバックされ、制御部７１でこの温度データと規定温度プロファイルとを比較することにより制御部７１はフィードバック制御を行う。
例えば、図４（ａ）に示す時間ｔ１において、規定温度プロファイル通りに加熱が進行していれば、被加熱基板１の下面温度はＴ１となるが、時間ｔ１に計測された実際の被加熱基板１の温度データがＴ１＋α（α＞０）であった場合には、予定より早く、すなわち、温度αだけ被加熱基板１の温度が早く上昇していることがわかる。
このように、制御部７１は基板温度検出器８で計測された被加熱基板１の下面温度データと規定温度プロファイルとを比較して、被加熱基板１が予定より早く加熱されていることを検出した場合には、温度上昇を抑えるため、図４（ｂ）に示す一定周期内のＯＮ／ＯＦＦ比率を変化させる。すなわち、制御部７１は図４（ｂ）に示す現状のＯＮ／ＯＦＦ比率よりもＯＦＦの比率が高くなるようにＯＮ／ＯＦＦ比率を変化させて指令をし、図４（ａ）の規定温度プロファイルを満たすような加熱制御を行う。また逆に、基板温度検出器８で計測された温度データがＴ１よりも低い場合には、予定より被加熱基板１の温度上昇が遅いことを示すため、図４（ｂ）に示す現状のＯＮ／ＯＦＦ比率よりもＯＮの比率が高くなるように、制御部７１は比率を変化させて制御を行う。
なお、図４（ｂ）に示す周期Ｔは、支持板２の剛性、アクチュエータ６の仕様が許す限り短く設定し、周期Ｔを短く設定することでより綿密な温度制御をすることができる。
また、規定温度プロファイルと、基板温度検出器８で計測された温度データが大きく異なる場合には、被加熱基板１と支持板２との接触不良等による異常であることが考えられ、このような異常検出も制御部７１にて行われる。

基板温度検出器８には、赤外線を検知する等により温度を検出するような非接触タイプの温度検出器や、スプリング構造を有したバヨネット型熱電対等により温度を検出するような接触タイプの温度検出器を使用することができる。例えば、非接触タイプの温度検出器を基板温度検出器８として使用する場合には、あらかじめ測定等により求められた被加熱基板１の放射率データを記憶部７２に記憶させておく。制御部７１は、記憶部７２に記憶された放射率データに基づいて基板温度検出器８の温度データを温度補正し、被加熱基板１の正確な温度判断を行っている。なお、放射率データは被加熱基板の種類によって異なるため、各種被加熱基板の放射率データを記憶部７２に記憶させておくことにより、制御部７１は必要な被加熱基板の放射率データを選択し温度補正を行うことができる。

上記の加熱手順により制御部７１は被加熱基板１の加熱制御を行う一方、温調器９からのデータを受信し、ヒータ３１の接続不良など設備の異常の検出を行っている。

以上のように、本実施の形態１によれば、制御手段７の制御部７１が、一定周期内のＯＮ／ＯＦＦ比率を変えてアクチュエータ６を上下駆動させホットプレート３と支持板２との面接触時間を変化させることにより、被加熱基板１の温度制御を行うため、熱容量の大きなホットプレート３の温度を一定に固定したまま、ホットプレート３から被加熱基板１へ供給する熱エネルギー量を制御できる。従って、ホットプレート３に使用されるヒータ３１の出力を高速で変化する必要がなく、ヒータ３１の劣化を防ぐとともに、ヒータ３１の出力制御では実現困難な時定数の小さい温度制御、すなわち、規定温度プロファイルの温度変化ラインに沿った高精度な温度制御を行うことができる。

また、アクチュエータ６を上下し、ホットプレート３が支持板２に接触する位置（上昇状態）および接触しない位置（下降状態）のいずれかにセットされることにより温度制御ができるため、ホットプレート３の位置の微妙な調整が不要であり、ホットプレート３の昇降位置決めが容易である。そして、微妙な位置決めが不要であるため、例えばエアシリンダーなどの簡単で安価な昇降機構をアクチュエータ６として使用することができ、安定した温度制御を行うことができる。

また安価で温度安定性の良いホットプレート３と、安価で簡単な構成のアクチュエータ６を使用することにより、高精度な温度制御が可能な加熱装置１００を安価に提供することができる。

また、スプリング４を介してホットプレート３を支持する構成とすれば、スプリング４が上下方向に弾性変形することにより、ホットプレート３の上面と支持板２の下面をより簡単に密着させることができ、支持板２とホットプレート３とを接触させるための位置決めがさらに容易となる。

この発明の実施の形態１における加熱装置（下降状態）を示す断面図である。 この発明の実施の形態１における加熱装置（上昇状態）を示す断面図である。 この発明の実施の形態１における加熱装置の制御ブロック図である。 この発明の実施の形態１における、温度プロファイルとこの温度プロファイルに対応するアクチュエータの駆動状態を示す図である。

符号の説明

１ 被加熱基板、２ 支持板、３ ホットプレート、４ スプリング（弾性部材）、
５ 受け板、６ アクチュエータ、７ 制御手段。

Claims (5)

1. 被加熱基板が載置され上記被加熱基板を支持する熱容量の小さい支持板と、
   上記支持板の下方に上下動可能に配置されて上記支持板との接触により上記支持板を加熱する熱容量の大きいホットプレートと、
   上記ホットプレートを上下に移動させるアクチュエータと、
   上記アクチュエータをＯＮで上昇させ上記ホットプレートと上記支持板とを接触させ、ＯＦＦで下降させ上記ホットプレートと上記支持板とを離れさせる、ＯＮ／ＯＦＦ制御を行う制御手段とを備え、
   上記制御手段が一定周期内のＯＮ／ＯＦＦ比率を変えて上記アクチュエータを駆動させ、上記ホットプレートと上記支持板との面接触時間を変化させて上記支持板に載置された被加熱基板の温度を制御することを特徴とする加熱装置。
2. 上記アクチュエータが、上記ホットプレートを支持する弾性部材と、上記弾性部材が設置された受け板とを介して、上記ホットプレートを上下に移動させる請求項１に記載の加熱装置。
3. 被加熱基板が載置され上記被加熱基板を支持する熱容量の小さい支持板と、
   上記支持板の下方に上下動可能に配置されて上記支持板との接触により上記支持板を加熱する熱容量の大きいホットプレートと、
   上記ホットプレートを上下に移動させるアクチュエータと、
   上記アクチュエータをＯＮで上昇させ上記ホットプレートと上記支持板とを接触させ、ＯＦＦで下降させ上記ホットプレートと上記支持板とを離れさせる、ＯＮ／ＯＦＦ制御を行う制御手段とを備えた加熱装置の制御方法であって、
   上記ホットプレートの温度を一定に保った状態で、上記制御手段が一定周期内のＯＮ／ＯＦＦ比率を変えて上記アクチュエータを駆動させ、上記ホットプレートと上記支持板との面接触時間を変化させて上記支持板に載置された被加熱基板の温度を制御することを特徴とする加熱装置の制御方法。
4. 上記加熱装置は、上記被加熱基板をどのように温度変化させるかを示す規定温度プロファイルが記憶される記憶部と、上記被加熱基板の温度を計測する基板温度検出器とを備え、
   上記ホットプレートの温度を一定に保った状態で、上記制御手段が、上記基板温度検出器での検出温度データと上記記憶部に記憶された上記規定温度プロファイルとを比較するフィードバック制御により一定周期内のＯＮ／ＯＦＦ比率を変えて上記アクチュエータを駆動させることを特徴とする請求項３に記載の加熱装置の制御方法。
5. 上記制御手段が、上記基板温度検出器での検出温度データと上記記憶部に記憶された上記規定温度プロファイルとの比較により上記被加熱基板と上記支持板間の異常検出を行うことを特徴とする請求項４に記載の加熱装置の制御方法。

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