JP7023172B2 - 温度監視装置、熱処理装置及び温度監視方法 - Google Patents

温度監視装置、熱処理装置及び温度監視方法 Download PDF

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Description

本開示は、温度監視装置、熱処理装置及び温度監視方法に関する。
処理容器内の温度を検出する温度センサからの検出信号に一次遅れフィルタをかけて被処理体の温度を推定し、推定された被処理体の温度に基づいて加熱部を制御する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、内部熱電対及び外部熱電対が検出した温度を混合して基板の予測温度を一次遅れ演算により算出する技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開２０１２－２０９５１７号公報 国際公開第２００５／０１０９７０号
本開示は、過渡応答を示す温度を監視することができる技術を提供する。
本開示の一態様による温度監視装置は、第１の温度から第２の温度に変化する温度を監視する温度監視装置であって、前記第１の温度から前記第２の温度への温度変化の開始時からの経過時間と、前記温度変化の軌跡に基づいて算出される時定数と、に基づく一次遅れ関数により温度監視波形を算出する算出部と、前記算出部が算出した前記温度監視波形に基づいて、前記第１の温度から前記第２の温度に変化する全期間の温度を監視する監視部と、を有し、前記温度監視波形は、１つの数式で表される第１波形であり、監視上限温度を規定する第１波形と、１つの数式で表される第２波形であり、監視下限温度を規定する第２波形と、を含む。
本開示によれば、過渡応答を示す温度を監視することができる。
温度監視装置を備える熱処理装置の構成例を示す断面図 温度監視波形の算出方法の説明図 過渡応答を示す温度の温度監視波形の一例を示す図 過渡応答を示す温度の温度監視波形の別の例を示す図 過渡応答を示す温度の温度監視波形の更に別の例を示す図
以下、添付の図面を参照しながら、本開示の限定的でない例示の実施形態について説明する。添付の全図面中、同一又は対応する部材又は部品については、同一又は対応する参照符号を付し、重複する説明を省略する。
本開示の一実施形態に係る温度監視装置は、第１の温度から第２の温度に変化する温度を監視する装置であって、温度変化を伴う種々の装置に適用可能である。以下では、温度監視装置が半導体製造装置の一例である熱処理装置に適用される場合を例に挙げて説明する。図１は、温度監視装置を備える熱処理装置の構成例を示す断面図である。
図１に示されるように、熱処理装置１は、長手方向が垂直である縦長の処理容器４を有する。処理容器４は、有天井の外筒６と、外筒６の内側に同心的に配置された円筒体状の内筒８と、を有する、二重管構造で構成されている。
外筒６及び内筒８は、石英などの耐熱性材料により形成されている。外筒６及び内筒８は、例えばステンレス製のマニホールド１０によって、下端が保持されている。マニホールド１０は、ベースプレート１２に固定されている。なお、マニホールド１０を設けず、処理容器４全体を、例えば石英によって形成する構成であってもよい。
マニホールド１０の下端の開口には、例えばステンレス鋼から形成される円盤状のキャップ部１４が、Ｏリングなどのシール部材１６を介して気密封止可能に取り付けられている。キャップ部１４の略中心部には、例えば磁性流体シール１８によって気密状態で回転可能な回転軸２０が挿通されている。回転軸２０の下端は回転機構２２に接続されており、上端は例えばステンレス鋼により形成されるテーブル２４が固定されている。
テーブル２４上には、例えば石英製の保温筒２６が設置されている。保温筒２６上には、例えば石英製のウエハボート２８が載置されている。
ウエハボート２８には、多数枚（例えば５０～１５０枚）の半導体ウエハ（以下「ウエハＷ」という。）が、所定の間隔（例えば１０ｍｍ程度のピッチ）で収容されている。ウエハボート２８、保温筒２６、テーブル２４、及びキャップ部１４は、例えばボートエレベータである昇降機構３０により、処理容器４内に一体となってロード、アンロードされる。
マニホールド１０の下部には、処理容器４内に処理ガスを導入するためのガス導入手段３２が設けられている。ガス導入手段３２は、マニホールド１０を気密に貫通するように設けられたガスノズル３４を有する。なお、図１では、ガス導入手段３２が１つ設けられている場合を示したが、使用するガス種の数などに応じて複数のガス導入手段３２が設けられていてもよい。ガスノズル３４から処理容器４へと導入されるガスは、流量制御機構（図示せず）により、流量が制御される。
マニホールド１０の上部には、ガス出口３６が設けられている。ガス出口３６には、排気系３８が連結される。排気系３８は、ガス出口３６に接続された排気通路４０と、排気通路４０の途中に介設された圧力調整弁４２及び真空ポンプ４４と、を含む。排気系３８により、処理容器４内の圧力を調整しながら排気することができる。
処理容器４の外周側には、処理容器４を囲むようにしてウエハＷを加熱するヒータ装置４８が設けられる。ヒータ装置４８は、円筒体状に形成された有天井の断熱層５０を有する。断熱層５０は、例えば熱伝導性が低く、柔らかい無定形のシリカ及びアルミナの混合物により形成される。断熱層５０の厚さは、通常、３０ｍｍ～４０ｍｍ程度である。また、断熱層５０の内面は、処理容器４の外面よりも所定の距離だけ離間されている。さらに、断熱層５０の外周面には、例えばステンレス鋼により形成される保護カバー５１が、断熱層５０全体を覆うように取り付けられている。
断熱層５０の内周側には、ヒータエレメント５２が、螺旋状に巻回して配置されている。ヒータエレメント５２は、例えば断熱層５０の側面の全体に亘って巻回して設けられており、処理容器４の高さ方向の全体をカバーできる構成になっている。即ち、ヒータエレメントの外周側に断熱層５０を設けた構造となっている。
また、内筒８の内側には、熱電対６０が挿入され、内筒８内の温度（即ち、ウエハＷの温度）を検出できる構成となっている。
ヒータエレメント５２及び熱電対６０は、高さ方向において、１又は２以上のゾーンに分割されており（図１では便宜上、ゾーンに分割していない例を示す。）、ゾーンごとに独立して温度制御できる構成となっている。なお、ヒータエレメント５２及び熱電対６０は、高さ方向において、複数のゾーンに分割される構成の場合、単一の制御部７０が、温度制御する構成としても良く、各々のゾーンに対応する制御部を準備して温度制御する構成であってもよい。各々のゾーンに対応して（ゾーン数に応じる複数の）制御部を準備する構成の場合、各々の制御部が、後述する熱処理装置の制御方法を実行するよう構成することが好ましい。
制御部７０は、装置全体の動作を制御する。制御部７０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）を有する。ＣＰＵは、ＲＡＭ等の記憶領域に格納されたレシピに従って、所望の熱処理を実行する。レシピには、プロセス条件に対する装置の制御情報が設定されている。制御情報は、例えばガス流量、圧力、温度、プロセス時間であってよい。なお、レシピ及び制御部７０が使用するプログラムは、例えばハードディスク、半導体メモリに記憶されてもよい。また、レシピ等は、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ等の可搬性のコンピュータにより読み取り可能な記憶媒体に収容された状態で所定位置にセットされ、読み出されるようにしてもよい。なお、制御部７０は、熱処理装置１とは別に設けられていてもよい。
制御部７０は、算出部７２と、監視部７４と、を有し、温度監視装置として機能する。
算出部７２は、第１の温度から第２の温度への温度変化の開始時からの経過時間と、温度変化の軌跡に基づいて算出される時定数と、に基づく一次遅れ関数により温度監視波形を算出する。第２の温度は、第１の温度とは異なる温度であればよく、第１の温度よりも高い温度であってもよく、第１の温度よりも低い温度であってもよい。
図２は、温度監視波形の算出方法の説明図である。図２では、第１の温度ｙ０のウエハＷをヒータ装置４８により第２の温度ｙｓｅｔに昇温するときの温度変化を示す。図２中、時間を横軸に示し、温度を縦軸に示す。
図２に示されるように、ヒータ装置４８によりウエハＷの温度を第１の温度ｙ０から第２の温度ｙｓｅｔに昇温する場合、時間ｔと温度ｙとの関係である温度変化の軌跡は以下の数式（１）により算出される。
Figure 0007023172000001
 （但し、ｙ０：第１の温度、ｙｓｅｔ：第２の温度、Ｔ：時定数）
一実施形態では、算出部７２が算出する温度監視波形のうち監視上限温度を規定する波形は、以下の数式（２）で表される。
Figure 0007023172000002
 （但し、ｙｕｐｐｅｒ：監視上限温度、ｙ０：第１の温度、ｙｓｅｔ：第２の温度、Ｒａｓ：開始時の判定温度幅、Ｒａ：安定時の判定温度幅、Ｔｕ：時定数）
また、算出部７２が算出する温度監視波形のうち監視下限温度を規定する波形は、以下の数式（３）で表される。
Figure 0007023172000003
 （但し、ｙｌｏｗｅｒ：監視下限温度、ｙ０：第１の温度、ｙｓｅｔ：第２の温度、Ｒａｓ：開始時の判定温度幅、Ｒａ：安定時の判定温度幅、Ｔｌ：時定数）
なお、第１の温度ｙ０は、例えば所定の熱処理の特定のステップ（例えば成膜ステップ）の開始時の温度であってよい。また、第２の温度ｙｓｅｔは、例えば上記ステップの設定温度（目標温度）であってよい。また、開始時の判定温度幅Ｒａｓは、例えば上記ステップの開始時のアラーム判定温度幅であってよい。また、安定時の判定温度幅Ｒａは、例えば上記ステップの設定温度に安定したときのアラーム判定温度幅であってよい。また、時定数Ｔｕ及び時定数Ｔｌは、数式（１）で表される温度変化の軌跡における時定数Ｔに応じて定めることができ、例えば時定数Ｔと同一の値であってもよく、時定数Ｔと異なる値であってもよい。また、算出部７２が算出した温度監視波形による温度監視は、例えば上記ステップの全期間において行ってもよく、上記ステップの一部の期間に限定して行ってもよい。一部の期間は、例えば第１の温度から第２の温度に昇温している期間、言い換えると、温度が安定するまでの期間であってよい。
監視部７４は、算出部７２が算出した温度監視波形に基づいて、第１の温度から第２の温度に変化する温度を監視する。
一実施形態では、監視部７４は、数式（２）で表される監視上限温度を規定する波形と、熱電対６０により検出される温度と、に基づいて、熱電対６０により検出される温度が監視上限温度を上回っていないかを監視する。また、監視部７４は、数式（３）で表される監視下限温度を規定する波形と、熱電対６０により検出される温度と、に基づいて、熱電対６０により検出される温度が監視下限温度を下回っていないかを監視する。監視部７４は、熱電対６０により検出される温度が監視上限温度を上回っている又は監視下限温度を下回っていると判断した場合、例えばアラーム信号を出力し、表示部（図示せず）にその旨を表示させる。また、警報を発するようにしてもよい。
本開示の一実施形態によれば、制御部７０が第１の温度から第２の温度への温度変化の開始時からの経過時間と、温度変化の軌跡に基づいて算出される時定数と、に基づく一次遅れ関数により温度監視波形を算出する。そして、算出した温度監視波形に基づいて、制御部７０が第１の温度から第２の温度に変化する温度を監視する。これにより、過渡応答を示す温度を監視することができる。このため、例えば温度を変化させながらウエハＷに成膜を行うステップ等、１つのステップにおいて温度変化を伴う場合であってもアラーム監視を行うことができる。
次に、温度監視波形について、第１の温度から第２の温度への温度変化の軌跡が、第１の温度ｙ０を４６７℃、第２の温度ｙｓｅｔを５３０℃、時定数Ｔを５００ｓｅｃとする数式（１）で表される１次遅れ関数で近似できる場合を例に挙げて説明する。
まず、上記の数式（２）及び（３）において、開始時の判定温度幅Ｒａｓが１０℃、安定時の判定温度幅Ｒａが５℃、時定数Ｔｕが４３０ｓｅｃ、時定数Ｔｌが５００ｓｅｃである場合の温度監視波形について説明する。図３は、過渡応答を示す温度の温度監視波形の一例を示す図である。図３中、時間（ｍｉｎ）を横軸に示し、温度（℃）を縦軸に示す。図３において、第１の温度から第２の温度への温度変化の軌跡を実線で示し、温度監視波形を破線で示す。
図３に示されるように、ウエハＷの温度が第１の温度（４６７℃）から第２の温度（５３０℃）に変化している期間、及び第２の温度（５３０℃）に安定している期間において、温度変化の軌跡に対応して温度監視波形が形成されていることが分かる。これにより、過渡応答を示す温度を監視できることが分かる。
また、上記の数式（２）及び（３）において、開始時の判定温度幅Ｒａｓが５℃、安定時の判定温度幅Ｒａが５℃、時定数Ｔｕが５００ｓｅｃ、時定数Ｔｌが５００ｓｅｃである場合の温度監視波形について説明する。図４は、過渡応答を示す温度の温度監視波形の別の例を示す図である。図４中、時間（ｍｉｎ）を横軸に示し、温度（℃）を縦軸に示す。図４において、第１の温度から第２の温度への温度変化の軌跡を実線で示し、温度監視波形を破線で示す。
図４に示されるように、ウエハＷの温度が第１の温度（４６７℃）から第２の温度（５３０℃）に変化している期間、及び第２の温度（５３０℃）に安定している期間において、温度変化の軌跡に対応して温度監視波形が形成されていることが分かる。これにより、過渡応答を示す温度を監視できることが分かる。図４に示される例では、図３に示される例よりも第１の温度から第２の温度への昇温中の温度を狭い監視幅で監視できる。但し、第１の温度から第２の温度への昇温中の監視幅が狭い場合、昇温中の僅かなノイズにより誤った監視結果を出力する場合があるため、開始時の判定温度幅Ｒａｓは、前記安定時の判定温度幅Ｒａよりも大きいことが好ましい。
上記の数式（２）及び（３）において、開始時の判定温度幅Ｒａｓが１０℃、安定時の判定温度幅Ｒａが５℃、時定数Ｔｕが５００ｓｅｃ、時定数Ｔｌが５００ｓｅｃである場合の温度監視波形について説明する。図５は、過渡応答を示す温度の温度監視波形の更に別の例を示す図である。図５中、時間（ｍｉｎ）を横軸に示し、温度（℃）を縦軸に示す。図５において、第１の温度から第２の温度への温度変化の軌跡を実線で示し、温度監視波形を破線で示す。
図５に示されるように、ウエハＷの温度が第１の温度（４６７℃）から第２の温度（５３０℃）に変化している期間、及び第２の温度（５３０℃）に安定している期間において、温度変化の軌跡に対応して温度監視波形が形成されていることが分かる。これにより、過渡応答を示す温度を監視できることが分かる。図５に示される例では、図４に示される例よりも第１の温度から第２の温度への昇温中の温度を広い監視幅で監視できる。これにより、図４に示される例と比較して、昇温中の僅かなノイズにより誤った監視結果を出力することを抑制できる。
このように、開始時の判定温度幅Ｒａｓ、安定時の判定温度幅Ｒａ、時定数Ｔｕ、時定数Ｔｌ等を変更することで、容易に温度監視波形の形状を調節することができる。
なお、上記の実施形態において、ヒータ装置４８は加熱部の一例であり、熱電対６０は温度検出部の一例である。
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の請求の範囲及びその趣旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
上記の実施形態では、温度監視波形が監視上限温度を規定する波形及び監視下限温度を規定する波形がそれぞれ１つである場合を例に挙げて説明したが、これに限定されない。例えば、温度監視波形は、監視上限温度を規定する波形が２つ以上であってもよく、監視下限温度を規定する波形が２つ以上であってもよい。
上記の実施形態では、処理容器が内管と外管とを有する二重管構造である場合を例に挙げて説明したが、これに限定されない。例えば、処理容器は一重管構造であってもよい。
上記の実施形態では、処理容器の下端位置から処理ガスを処理容器内に供給する場合を例に挙げて説明したが、これに限定されない。例えば、ウエハボートの長手方向に沿ってガスノズルを配置してサイドフロー方式で処理ガスを供給する構成であってもよい。
上記の実施形態では、温度監視装置を備える熱処理装置として、一度に多数枚のウエハに対して処理を行うバッチ式の縦型熱処理装置を例に挙げて説明したが、これに限定されない。例えば、ウエハを１枚ずつ処理する枚葉式の装置であってもよい。また、例えば処理容器内の回転テーブルの上に配置した複数のウエハを回転テーブルにより公転させ、原料ガスが供給される領域と、原料ガスと反応する反応ガスが供給される領域とを順番に通過させてウエハの上に成膜するセミバッチ式の装置であってもよい。
上記の実施形態では、熱処理装置により処理される基板が半導体ウエハである場合を例に挙げて説明したが、これに限定されない。例えば、基板はフラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ：Flat Panel Display)用の大型基板、ＥＬ素子又は太陽電池用の基板であってもよい。
１ 熱処理装置
４ 処理容器
４８ ヒータ装置
６０ 熱電対
７０ 制御部
７２ 算出部
７４ 監視部

Claims (8)

  1. 第１の温度から第２の温度に変化する温度を監視する温度監視装置であって、
    前記第１の温度から前記第２の温度への温度変化の開始時からの経過時間と、前記温度変化の軌跡に基づいて算出される時定数と、に基づく一次遅れ関数により温度監視波形を算出する算出部と、
    前記算出部が算出した前記温度監視波形に基づいて、前記第１の温度から前記第２の温度に変化する全期間の温度を監視する監視部と、
    を有し、
    前記温度監視波形は、１つの数式で表される第１波形であり、監視上限温度を規定する第１波形を含む、
    温度監視装置。
  2. 第１の温度から第２の温度に変化する温度を監視する温度監視装置であって、
    前記第１の温度から前記第２の温度への温度変化の開始時からの経過時間と、前記温度変化の軌跡に基づいて算出される時定数と、に基づく一次遅れ関数により温度監視波形を算出する算出部と、
    前記算出部が算出した前記温度監視波形に基づいて、前記第１の温度から前記第２の温度に変化する全期間の温度を監視する監視部と、
    を有し、
    前記温度監視波形は、１つの数式で表される第２波形であり、監視下限温度を規定する第２波形を含む、
    温度監視装置。
  3. 第１の温度から第２の温度に変化する温度を監視する温度監視装置であって、
    前記第１の温度から前記第２の温度への温度変化の開始時からの経過時間と、前記温度変化の軌跡に基づいて算出される時定数と、に基づく一次遅れ関数により温度監視波形を算出する算出部と、
    前記算出部が算出した前記温度監視波形に基づいて、前記第１の温度から前記第２の温度に変化する全期間の温度を監視する監視部と、
    を有し、
    前記温度監視波形は、
    １つの数式で表される第１波形であり、監視上限温度を規定する第１波形と、
    １つの数式で表される第２波形であり、監視下限温度を規定する第２波形と、
    を含む、
    温度監視装置。
  4. 前記第１波形は、以下の数式（２）で表される、
    請求項１又は３に記載の温度監視装置。
    Figure 0007023172000004
     （但し、ｙｕｐｐｅｒ：監視上限温度、ｙ０：第１の温度、ｙｓｅｔ：第２の温度、Ｒａｓ：開始時の判定温度幅、Ｒａ：安定時の判定温度幅、Ｔｕ：時定数）
  5. 前記第２波形は、以下の数式（３）で表される、
    請求項２又は３に記載の温度監視装置。
    Figure 0007023172000005
     （但し、ｙｌｏｗｅｒ：監視下限温度、ｙ０：第１の温度、ｙｓｅｔ：第２の温度、Ｒａｓ：開始時の判定温度幅、Ｒａ：安定時の判定温度幅、Ｔｌ：時定数）
  6. 前記開始時の判定温度幅Ｒａｓは、前記安定時の判定温度幅Ｒａよりも大きい、
    請求項４又は５に記載の温度監視装置。
  7. 基板を収容する処理容器と、
    前記処理容器に収容された基板を加熱する加熱部と、
    前記処理容器内の温度を検出する温度検出部と、
    前記処理容器内の温度を監視する制御部と、
    を有し、
    前記制御部は、
    第１の温度から第２の温度への温度変化の開始時からの経過時間と、前記温度変化の軌跡に基づいて算出される時定数と、に基づく一次遅れ関数により温度監視波形を算出する算出部と、
    前記算出部が算出した前記温度監視波形に基づいて、前記第１の温度から前記第２の温度に変化する全期間の温度を監視する監視部と、
    を有し、
    前記温度監視波形は、
    １つの数式で表される第１波形であり、監視上限温度を規定する第１波形と、
    １つの数式で表される第２波形であり、監視下限温度を規定する第２波形と、
    のうち少なくともいずれかを含む、
    熱処理装置。
  8. 第１の温度から第２の温度に変化する温度を監視する温度監視方法であって、
    前記第１の温度から前記第２の温度への温度変化の開始時からの経過時間と、前記温度変化の軌跡に基づいて算出される時定数と、に基づく一次遅れ関数により温度監視波形を算出するステップと、
    算出された前記温度監視波形に基づいて、前記第１の温度から前記第２の温度に変化する全期間の温度を監視するステップと、
    を有し、
    前記温度監視波形は、
    １つの数式で表される第１波形であり、監視上限温度を規定する第１波形と、
    １つの数式で表される第２波形であり、監視下限温度を規定する第２波形と
    のうち少なくともいずれかを含む、
    温度監視方法。
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