JP5642612B2

JP5642612B2 - 熱処理装置および熱処理方法

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Publication number: JP5642612B2
Application number: JP2011083637A
Authority: JP
Inventors: 井弘治吉; 口達也山; 文凌王; 藤孝規齋
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2011-04-05
Filing date: 2011-04-05
Publication date: 2014-12-17
Anticipated expiration: 2031-04-05
Also published as: TW201308469A; US9324591B2; KR20120113665A; US20120258415A1; JP2012222036A; KR101482039B1; CN102737988A; TWI497627B

Description

本発明は、被処理体を熱処理する熱処理装置および熱処理方法に関する。

半導体デバイスの製造においては、被処理体例えば半導体ウエハに、酸化、拡散、CVD、アニール等の熱処理を施すために各種の熱処理装置が用いられている。前記熱処理装置としては、多数の半導体ウエハ（以下ウエハ）を一度に熱処理することが可能なバッチタイプの装置が用いられており、中でも縦型熱処理装置がよく知られている。この縦型熱処理装置は、ウエハを多数枚載置した保持部を下部が開口した処理容器内に下方より搬入（ロード）し、処理容器の周囲に設けられた加熱部（ヒータ）により処理容器内部のウエハを加熱処理する熱処理炉を備えている。このような熱処理装置は、ヒータの温度を検出する温度センサと、処理容器内の温度を検出する温度センサが備えられており、夫々の温度センサからの信号に基づいてヒータの出力をウエハがもしくは処理容器内が設定温度になるように制御している。その一つの方法として特許文献２のように追従させる温度を温度センサからの検出値と設定値を混合割合調整部にて夫々の比率で補間して制御する方法がある。また、ウエハの温度を測るためにできるだけウエハの近くウエハと同じように可動する部分に温度センサを設置することが開示されている（特許文献１）。

特開平７−２７３０５７号公報特開２００２−３５３１５３号公報

近年において、半導体の微細化の要求とともに処理温度の低温度化（１００〜４００℃）の要求が多くなり、半導体ウエハの温度制御がさらに難しくなってきた。

半導体ウエハでは、処理容器に保持具をロードし設定温度に安定するまでの温度が半導体ウエハの吸収波長の関係から特に１００〜４００℃の温度帯において前述の温度センサと半導体ウエハの温度差が大きく隔たり、昇温および設定温度に達するまで多くの時間を要する問題があった。

本発明はこのような点を考慮してなされたものであり、半導体ウエハのロード時において、被処理体を迅速かつ精度良く設定温度に追従することができる熱処理装置および熱処理方法を提供することを目的とする。

本実施の形態は、被処理体を処理する処理容器と、処理容器の外側に設けられこの処理容器を外側から加熱する加熱部と、被処理体を載置して保持するとともに、処理容器内に出し入れされる保持部と、保持部を処理容器へ出し入れするための保持部搬送部と、加熱部と処理容器との間に設けられ、加熱部の温度を検出する第１温度センサと、処理容器内に固定され処理容器内の温度を検出する第２温度センサと、保持部と共に処理容器内に出し入れされる第３温度センサと、加熱部への出力を制御する制御部と、第１温度センサ、第２温度センサおよび第３温度センサのうちいずれか２つの温度センサを選択し、これら二つの温度センサからの検出温度に基づいて、被処理体温度Tを予測する温度予測部と、を備え、温度予測部は、被処理体温度Ｔを以下の式に基づいて求め、
Ｔ＝Ｔ _１ ×（１−α）＋Ｔ _２ ×α
α＞１
Ｔ１：第１温度センサ、第２温度センサおよび第３温度センサのいずれか一つの温度センサの検出温度
Ｔ２：第１温度センサ、第２温度センサおよび第３温度センサのＴ１以外のいずれか一つの温度センサの検出温度
α：混合比率、
前記選択する２つの温度センサを、予め処理容器内へ保持部を入れた際の第１温度センサ、第２温度センサおよび第３温度センサからの検出温度データとそのときの被処理体の検出温度とを比較し、被処理体の検出温度に近似する組み合わせから選択し、かつαを決定することを特徴とする熱処理装置である。

本実施の形態は、被処理体を処理する処理容器と、処理容器の外側に設けられこの処理容器を外側から加熱する加熱部と、被処理体を載置して保持するとともに、処理容器内に出し入れされる保持部と、保持部を処理容器へ出し入れするための保持部搬送部と、加熱部と処理容器との間に設けられ、加熱部の温度を検出する第１温度センサと、処理容器内に固定され処理容器内の温度を検出する第２温度センサと、保持部と共に処理容器内に出し入れされる第３温度センサと、加熱部への出力を制御する制御部と、第１温度センサ、第２温度センサおよび第３温度センサのうちいずれか２つの温度センサを選択し、これら二つの温度センサからの検出温度に基づいて、被処理体温度Ｔを予測する温度予測部と、を備えた熱処理装置を用いた熱処理方法において、被処理体を保持部に保持する工程と、保持部により被処理体を処理容器内へ入れる工程と、温度予測部において、第１温度センサ、第２温度センサおよび第３温度センサのうちいずれか２つを選択し、これら２つの温度センサからの検出信号に基づいて被処理体の温度を予測する工程と、温度予測部により予測された被処理体の温度に基づいて加熱部の出力を制御する工程と、を備え温度予測部は、被処理体温度Ｔを以下の式に基づいて求め、
Ｔ＝Ｔ _１ ×（１−α）＋Ｔ _２ ×α
α＞１
Ｔ１：第１温度センサ、第２温度センサおよび第３温度センサのいずれか一つの温度センサの検出温度
Ｔ２：第１温度センサ、第２温度センサおよび第３温度センサのＴ１以外のいずれか一つの温度センサの検出温度
α：混合比率
前記選択する２つの温度センサを、予め処理容器内へ保持部を入れる工程を行った第１温度センサ、第２温度センサおよび第３温度センサからの検出温度データとそのときの被処理体の検出温度とを比較し、被処理体の検出温度に近似する組み合わせから選択し、かつαを決定する工程を、更に備えたことを特徴とする熱処理方法である。

以上のように本発明によれば、被処理体の吸収波長が少なく熱応答性の低い温度帯において温度センサがウエハよりも熱応答性が高いために被処理体の温度を追従できないときでも、被処理体温度を予測でき加熱部の出力を制御し迅速にそして精度良く昇温や温度安定の温度制御させることができる。

図１は本発明による熱処理装置および熱処理方法の実施の形態を概略的に示す縦断面図。図２は図１と同様の図であって、熱処理体のロード時における熱処理装置を示す図。図３は温度予測部における作用を示す図。

以下に、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

図1において、縦型の熱処理装置１は、被処理体（例えば半導体ウエハｗ以下ウエハｗと記す）を一度に多数枚収容して酸化、拡散、減圧CVD等の熱処理を施すことができる縦型の熱処理炉２を備えている。この熱処理炉２は、内周面に発熱抵抗体（以下ヒータと記す）３が設けられ、ヒータ３と空間４を形成するとともに、ウエハｗを収納して熱処理する処理容器５とを備えている。ここで、ヒータ３はウエハｗを加熱する加熱部として機能する。

また、前記空間３３は、縦方向に沿って複数の単位領域、例えば１０の単位領域Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ａ５，Ａ６，Ａ７，Ａ８，Ａ９，Ａ１０（以下Ａ１〜Ａ１０と記す）に区画されている。そしてヒータ３はこの１０の単位領域Ａ１〜Ａ１０に対応して夫々に出力を制御できるように構成されており、単位領域Ａ１〜Ａ１０に対応した温度を測定するヒータ温度センサ（第１温度センサ）Ａｏ１〜Ａｏ１０が設けられている。

熱処理炉２はベースプレート６に支持され、このベースプレート６には処理容器５を下方から上方へ挿入するための開口部７が形成されている。

処理容器５は下部にマニホールド８を介してベースプレート６に支持され、さらにマニホールド８から処理容器５へインジェクタ５１を通して処理ガスを供給する。ガスインジェクタは図示しないガス供給源と接続されている。また、処理容器５に供給された処理ガスやパージガスは排気ポート５２を通して減圧制御が可能な真空ポンプを備えた図示しない排気系に接続されている。

また、マニホールド下部には炉口５３を閉塞する蓋体９があり、蓋体９が昇降機構１０により昇降移動可能に設けられている。この蓋体９の上部には保温部１１が載置され、該保温部１１の上部には、ウエハｗを多数枚上下方向に所定の間隔で搭載する保持部（以下ボートと記す）１２がある。ボート１２は、昇降機構１０により下降移動により処理容器５から図示しないローディングエリアへ搬出（アンロード）され、ウエハｗの移し替え後、昇降機構１０により上昇移動により処理容器５内に搬入（ロード）される。

さらに蓋体９にはボート１２をその軸心回りに回転する回転機構１３が設けられていても良い。

熱処理炉２は断熱材２１と、処理容器５を急速に冷却するための冷却ガスの流路２２と、流路２２から空間４へ冷却ガスを噴出する噴出孔２３と、冷却ガスを空間４から排気するための排気口２４を設けても良い。この場合、排気口２４の先には図示しない熱交換器およびブロアを設け、さらに流路２２へ冷却ガスを供給するブロアを設けている。

処理容器５内の各単位領域Ａ１〜Ａ１０の温度を検出するための処理容器内温度センサ（第２温度センサ）Ａｉ１〜Ａｉ１０を設けている。

さらにウエハｗとともにロード・アンロードされる可動温度センサ（第３温度センサ）Ａｐ１〜Ａｐ１０を設けている。

ところで従来、上述のヒータ温度センサＡｏ１〜Ａｏ１０と処理容器内温度センサＡｉ１〜Ａｉ１０からの検出信号ライン３１、３２を通して制御部３５に信号を導入している。そして制御部３５においてＰＩＤ制御やモデル制御の計算した結果をヒータ出力部３６に送り、このヒータ出力部３６により各ヒータ３へヒータ出力ライン３７からヒータ端子３８を介して出力を制御していた。

しかし、この方法だと低温度域１００〜４００℃のウエハｗの温度変化に十分に追従できないため、本発明においては可動温度センサＡｐ１〜Ａｐ１０の検出温度データを検出信号ライン３３を通して取得し、さらにヒータ温度センサＡｏ１〜Ａｏ１０と処理容器内温度センサＡｉ１〜Ａｉ１０からの夫々の検出温度データを検出信号ライン３１、３２を通して取得し、温度予測部３４にて後述の計算式で計算を行なう。そしてロード時のローディングエリアから処理容器５内でのウエハｗの温度変化を温度予測部３４において予測し、予測した結果を制御部３５に送り、夫々のヒータ３の出力を制御する。

次にウエハｗのロード時における温度予測部３４の作用について図３により説明する。

ここで図３は温度予測部３４における作用を示す図であって、横軸にウエハｗのロード時における時間(分)が示され、縦軸に温度が示されている。

夫々の温度センサの動きは、２００℃に安定している処理容器内に室温のボートをロードし再び２００℃で安定するときの温度変化を表している。このときの各温度センサの挙動は図３の通りでヒータ温度センサ、処理容器内温度センサおよび可動温度センサのいずれもウエハ温度よりかなり離れた挙動を示していることがわかる。さらに全ての温度センサはウエハｗの温度よりも高い温度を示しており、従来の０〜１００％の混合比率ではウエハｗの温度を予測することが難しいことが分かる。

ここで下記の計算式にて合成信号を計算する。
Ｔ＝Ｔ_１×（１−α）＋Ｔ_２×α
α＞１
Ｔ１：第１温度センサ、第２温度センサおよび第３温度センサのいずれか一つの温度
センサの検出温度
Ｔ２：第１温度センサ、第２温度センサおよび第３温度センサのＴ１以外のいずれか
一つの温度センサの検出温度
α：混合比率

計算した合成信号の例として、Ｔ１を可動温度センサとし、Ｔ２を処理容器内温度センサとし、αを１．８としたときに非常に良くウエハ温度の挙動と同期していることが分かる。この温度センサの選択は装置の温度センサの位置の影響を受け、また、温度センサの構成は夫々の装置構成に依存するため予め図３のような温度データを取得し最適値を見つけ出す必要がある。

図３が示すようにウエハをロードしてから２００℃に温度が安定するまでに９０分を要しており、非常に時間がかかっていた。この算出した予測ウエハ温度によりヒータの制御を行うことで温度安定まで３０％〜５０％時間短縮することが実現できた。以上のことから、本発明は装置内の温度センサと被処理体との温度差が大きいときに特に効果的に利用するができ、シリコンウエハの吸収波長の少ない低温度域（１００〜４００℃）における昇温および温度安定でも精度良く迅速に制御することができる。

本実施の形態では単位領域Ａ１〜Ａ１０を用いて説明したが、１０に分割するだけでなく分割数は幾つの場合でも利用可能であり、さらに実施の形態では均等に分割しているが、これに限らず、温度変化の大きい炉口部を細かい領域に分割しても良い。また、強制的に排気する冷却ガスの排気口や、保温部のエリアに別途取り付けられた温度センサを使用しても良い。

ｗ半導体ウエハ（被処理体）
１熱処理装置
２熱処理炉
３ヒータ
５処理容器
１０昇降機構
１２ボート
３４温度予測部
３５制御部
３６ヒータ出力部
Ａｏ１〜Ａｏ１０ヒータ温度センサ
Ａｉ１〜Ａｉ１０処理容器内温度センサ
Ａｐ１〜Ａｐ１０可動温度センサ

Claims

被処理体を処理する処理容器と、
処理容器の外側に設けられこの処理容器を外側から加熱する加熱部と、
被処理体を載置して保持するとともに、処理容器内に出し入れされる保持部と、
保持部を処理容器へ出し入れするための保持部搬送部と、
加熱部と処理容器との間に設けられ、加熱部の温度を検出する第１温度センサと、
処理容器内に固定され処理容器内の温度を検出する第２温度センサと、
保持部と共に処理容器内に出し入れされる第３温度センサと、
加熱部への出力を制御する制御部と、
第１温度センサ、第２温度センサおよび第３温度センサのうちいずれか２つの温度センサを選択し、これら二つの温度センサからの検出温度に基づいて、被処理体温度Tを予測する温度予測部と、を備え、
温度予測部は、被処理体温度Tを以下の式に基づいて求め、
Ｔ＝Ｔ _１ ×（１−α）＋Ｔ _２ ×α
α＞１
Ｔ１：第１温度センサ、第２温度センサおよび第３温度センサのいずれか一つの温度センサの検出温度
Ｔ２：第１温度センサ、第２温度センサおよび第３温度センサのＴ１以外のいずれか一つの温度センサの検出温度
α：混合比率、
前記選択する２つの温度センサを、予め処理容器内へ保持部を入れた際の第１温度センサ、第２温度センサおよび第３温度センサからの検出温度データとそのときの被処理体の検出温度とを比較し、被処理体の検出温度に近似する組み合わせから選択し、かつαを決定することを特徴とする熱処理装置。
被処理体を処理する処理容器と、
処理容器の外側に設けられこの処理容器を外側から加熱する加熱部と、
被処理体を載置して保持するとともに、処理容器内に出し入れされる保持部と、
保持部を処理容器へ出し入れするための保持部搬送部と、
加熱部と処理容器との間に設けられ、加熱部の温度を検出する第１温度センサと、
処理容器内に固定され処理容器内の温度を検出する第２温度センサと、
保持部と共に処理容器内に出し入れされる第３温度センサと、
加熱部への出力を制御する制御部と、
第１温度センサ、第２温度センサおよび第３温度センサのうちいずれか２つの温度センサを選択し、これら二つの温度センサからの検出温度に基づいて、被処理体温度Tを予測する温度予測部と、を備えた熱処理装置を用いた熱処理方法において、
被処理体を保持部に保持する工程と、
保持部により被処理体を処理容器内へ入れる工程と、
温度予測部において、第１温度センサ、第２温度センサおよび第３温度センサのうちいずれか２つを選択し、これら２つの温度センサからの検出信号に基づいて被処理体の温度を予測する工程と、
温度予測部により予測された被処理体の温度に基づいて加熱部の出力を制御する工程と、
を備え、
温度予測部は、被処理体温度Tを以下の式に基づいて求め、
Ｔ＝Ｔ _１ ×（１−α）＋Ｔ _２ ×α
α＞１
Ｔ１：第１温度センサ、第２温度センサおよび第３温度センサのいずれか一つの温度センサの検出温度
Ｔ２：第１温度センサ、第２温度センサおよび第３温度センサのＴ１以外のいずれか一つの温度センサの検出温度
α：混合比率、
前記選択する２つの温度センサを、予め処理容器内へ保持部を入れる工程を行った第１温度センサ、第２温度センサおよび第３温度センサからの検出温度データとそのときの被処理体の検出温度とを比較し、被処理体の検出温度に近似する組み合わせから選択し、かつαを決定する工程を、更に
備えたことを特徴とする熱処理方法。