JPH06242840A - 枚葉式熱処理装置および熱処理温度モニタ方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】被熱処理基板１の熱処理温度をモニタする温度
測定端子５，７，９，１０，１１が被熱処理基板１に接
しない部分に複数箇所設置され、それぞれの箇所の温度
変化を計算機処理して実際の熱処理温度とし、その温度
をフィードバックして加熱源２からのエネルギを制御す
る。また、エネルギ透過率を変えたエネルギ導入部８を
設ける。 【効果】実際の被熱処理基板の構造や膜構成の状態に左
右されずに正確な温度モニタが可能になり、従来に比べ
て均一かつ熱処理の高精度化ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、種々の工程を経て種々
の膜および構造を有する被熱処理基板の熱処理温度をモ
ニタできる熱処理温度モニタ方法および枚葉式熱処理装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の枚葉式熱処理装置は、特開昭63−
170916号，特開平2−63294号，特開平2−178928号，特
開平2−39525号，特開昭59−121832号，特開平2−24922
7号公報に記載のように、また、米国ＡＧ社製ハロゲン
ランプアニール装置（ＨＥＡＴーＰＵＬＳ）や米国ＰＥ
ＡＫ社製アークランプアニール装置（ＡＬＰシリーズ）
等のように、加熱源としてランプやカーボンヒータを用
いて被熱処理基板を熱処理するような構造となってい
た。

【０００３】このような熱処理装置での温度モニタ方式
は、従来、ランプ加熱源の場合、（１）被熱処理基板近
傍の珪素片に埋め込まれた熱電対を用いたり、（２）被
熱処理基板の表面または裏面から放射される赤外光を赤
外放射温度計でモニタする方法を用いたり、さらに、
（３）被熱処理基板の表面または裏面に接触するような
熱電対を用いたりしている。

【０００４】また、最近では、（４）被熱処理基板の表
面または裏面からのある波長の赤外線の放射率を補正し
た上で別の波長の赤外光を赤外放射温度計でモニタする
方法の他に、（５）被熱処理基板の熱膨張をモニタして
温度を測定する方法や（６）被熱処理基板に接触した二
つの端子間での伝搬波の速度をモニタする方法などが提
案されている。尚、これらの温度モニタは、被熱処理基
板の１点モニタあるいは設定された領域の平均的な部分
のモニタとなっている。

【０００５】一方、カーボンヒータ加熱を用いた場合の
温度モニタ方式は、（７）カーボンヒータの温度そのも
のをモニタして、被熱処理基板の温度はモニタしていな
い。

【０００６】また、従来の枚葉式熱処理装置での被熱処
理基板内の処理温度均一性を向上する方法は、主に被熱
処理基板の周辺からの熱放散の影響を補正するようにし
ている。例えば、（８）加熱源であるランプ光強度を周
辺で大きくする方法や（９）周辺に補助加熱源を設ける
方法がある。

【０００７】被熱処理基板周辺のランプ光強度を大きく
する方法には、（10）ランプを各領域に分けて配置して
周辺に近いランプの光エネルギを大きくする方法や、
（11）被熱処理基板とランプとの間に設けた石英製の窓
に光散乱用のけがき線を設けて基板中心付近で光散乱を
多くする方法などがある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来の温度モニタ方法
では、以下のような問題がある。すなわち、まず、(１)
の方法では、実際の被熱処理基板と珪素片との大きさや
基板表面および裏面に形成された種々の膜の有無によ
り、同じ加熱エネルギを供給しても到達温度が異なるた
め温度上昇速度などが異なり正確な温度制御が困難であ
る。また、（２）の方法では、モニタする面の状態が種
々の膜によって変化すると、正確な温度モニタができな
くなってしまう。このようなモニタ面の赤外線放射率の
差を補正する目的で、（４）のように２波長の赤外線を
用いて温度モニタする方法が提案されているが、非常に
高精度の赤外線放射率補正が必要となるため、提案され
てからかなりの年数を経ても実現されていないのが現状
である。

【０００９】このような、赤外線放射率によって温度モ
ニタする方法では、上記のような問題の他に、実際の被
熱処理基板には種々の構造や種々の膜形成があるため、
温度によって上記被熱処理基板が変形して温度モニタす
る領域に傾きが生じて、赤外線モニタの光学軸からずれ
てしまい正確な赤外線放射率補正が不可能になるという
問題もある。

【００１０】次に、（３）の方法では、熱電対と被熱処
理基板との接触が常に同じにならないと正確な温度を計
測することができない。例えば、実際の被熱処理基板に
は種々の構造や種々の膜形成があるため、温度によって
上記基板が反り量が異なり、温度によって上記接触の状
態が変化してしまう。さらに、（５），（６）の方法で
も、実際の被熱処理基板に種々の構造や種々の膜形成が
あるが故の基板の変形や反りを生じると、正確な熱膨張
の様子や伝搬波の速度を正確にモニタできなくなる。な
お、（７）の方法では、被熱処理基板の正確な温度把握
ができないことは自明である。

【００１１】このように、従来の温度モニタ方法では、
実際の被熱処理基板の構造や膜構成の状態によって正確
な実際の温度のモニタができないという大きな問題があ
った。

【００１２】これらの温度モニタは、被熱処理基板の１
点モニタあるいは設定された領域の平均的な部分のモニ
タとなっているが、実際の被熱処理基板にある温度分布
の１点または上記平均的な部分しか評価できていない。
このような方法で被熱処理基板全体の温度をモニタする
には、基板の温度分布を均一にするしか方法はない。但
し、このような方法を基板全体で実施すればそれは可能
になるが、この方法では現実性がなく、ここでは考えに
入れない。

【００１３】温度均一性向上方法の問題点について、以
下に述べる。まず、（８），（９）の方法では、非常に
大まかな温度分布改善になるが、細かな温度分布制御が
不可能である。また、（10）の方法では、細かな温度分
布も制御できるが、けがき線の幅によってより細かな温
度分布ができてしまう。更に、（８)〜(11）の方法で
は、ランプ寿命やランプ個体差によって変動する光強度
分布を改善することが非常に困難となる。例えば、（1
1）の方法のけがき線を用いる場合には、ランプ交換毎
にけがき線を追加しなければならず、その繰返しを続け
るとけがき線による温度分布制御が困難となり、上記石
英製の窓まで交換する必要がでてくる。このように、従
来の被熱処理基板の温度分布を均一にする方法では、ラ
ンプの個体差による均一性の補正が非常に煩雑になると
いう問題がある。

【００１４】本発明の目的は、実際の被熱処理基板の構
造や膜構成の状態に左右されずに正確な温度モニタが可
能で、かつ、熱処理温度分布の均一性向上が容易な枚葉
式熱処理装置および熱処理温度モニタ方法を提供するこ
とにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、図１に示すように、被熱処理基板１の熱処
理温度をモニタする温度測定端子が被熱処理基板に接し
ない部分に複数箇所設置され、それぞれの箇所の温度変
化を計算機処理して実際の熱処理温度とし、その温度を
フィードバックして加熱源２からのエネルギを制御する
ような熱処理温度モニタ方法を採用する。ここで、上記
温度測定端子の設置箇所は、枚葉式熱処理容器３の熱処
理雰囲気導入部４の近傍５，容器３の熱処理雰囲気排気
部６の近傍７，加熱源２と被熱処理基板１との間に構成
されるエネルギ導入部８の中９，容器３の所定の箇所１
０、および、容器３内の所定の箇所１１の何れかから選
ばれる。また、それぞれの温度測定端子の設置箇所の温
度変化に加えて、容器３内の圧力および雰囲気の種類お
よび流量の情報を考慮にいれて実際の熱処理温度を計算
機処理する方法を採用する。

【００１６】実際に計算機処理する場合には、予めそれ
ぞれの温度測定端子の設置箇所の温度や容器内の圧力お
よび雰囲気の種類および流量等の環境データと実際の熱
処理温度との関係を計算機に記憶させておく必要があ
る。このような関係は図２に示すような方法で得ること
が出来る。ここでは、基板温度，ガスおよび圧力等が予
め設定された初期設定シーケンスに従って熱電対付きの
被熱処理基板を加熱処理してデータを取り込む。その際
に、それぞれの温度測定端子の設置箇所の温度や容器内
の圧力および雰囲気の種類および流量等の環境データの
他に加熱処理時の加熱源エネルギ（パワー）を情報とし
て環境データ群に記憶させる。ここでは、初期設定シー
ケンスと得られた環境データとをセットで記憶させる。
このような手順の処理を異なる初期設定シーケンスで繰
り返して種々の環境データを取り込み記憶させておく。

【００１７】実際の熱処理を行う場合には、図３に示す
ように行う。行おうとする熱処理の設定シーケンスに基
づきそのシーケンスに合った環境データをメモリから読
み込む。ここで設定したシーケンスが初期設定に無い場
合には、メモリ内のデータを用いて設定シーケンスに合
った環境データを計算機処理で作成し、それを実際の加
熱処理に用いる。次に、計算機処理により実際の環境デ
ータと比較して加熱に必要なパワーを求める。この時点
で熱処理が開始され、その処理により変化した環境デー
タを基に新たなパワー設定を行って処理を進める。

【００１８】また、本発明では、被熱処理基板１の均一
な温度モニタを実現するために、新たに被熱処理基板１
内の温度分布を均一にするための、加熱源２からのエネ
ルギ分布を補正するためのエネルギ導入部８の上にエネ
ルギ導入分布の制御が可能なエネルギ透過率を変えたエ
ネルギ導入部１２を設ける。このようにして被熱処理基
板１の熱処理温度分布は均一なものとして扱い、被熱処
理基板１の周辺の温度環境をこのような温度測定端子か
らの情報によって判断する。

【００１９】

【作用】図１に示すように、被熱処理基板１の熱処理温
度をモニタする温度測定端子が被熱処理基板に接しない
ため、被熱処理基板１の構造や膜構成に左右されること
がない。また、枚葉式熱処理容器３の熱処理雰囲気導入
部４の近傍５，容器３の熱処理雰囲気排気部６の近傍
７，加熱源２と被熱処理基板１との間に構成されるエネ
ルギ導入部８の中９，容器３の所定の箇所１０、およ
び、容器３内の所定の箇所１１の複数箇所で、被熱処理
基板１の周囲温度環境をモニタすることで、容器３内に
設置された直後の被熱処理基板１の状態までモニタでき
るので供給エネルギの初期状態も設定できる。さらに、
容器３内の圧力および雰囲気の種類および流量の情報も
モニタすることでより正確な環境モニタが可能となる。

【００２０】このような温度および雰囲気の情報を、加
熱源２からのエネルギを制御できる主計算機に送り、計
算処理をすることで被熱処理基板１の実際の温度を瞬時
に判断できるようになる。この被熱処理基板１の実際の
温度の判断は、図２を用いて説明したように、予め組み
入れられた各環境モニタの情報と予め組み入れられた被
熱処理基板１の温度との相関から求めて行うことができ
る。

【００２１】また、処理中の環境データと設定シーケン
スとの間でこのような相関が得られなくなった場合、加
熱源のエネルギが変動していると判断できるため加熱源
の寿命モニタも可能となる。従って、加熱源を交換した
のち、前回の加熱源を用いたときのパワーから変動した
分を補正することにより、前回の環境データをそのまま
用いることが出来る。このような加熱源を交換した場
合、図２で説明したような初期設定シーケンス処理を１
回行えばパワー変動分を補正できる。

【００２２】尚、この予め組み入れられた各環境モニタ
の情報と予め組み入れられた被熱処理基板１の温度との
相関は、被熱処理基板１内の温度分布を均一にした上で
行う。これにより被熱処理基板の温度分布を均一なもの
として取扱うことができ、より高精度の環境モニタが可
能となる。その際、加熱源２からのエネルギ分布を補正
するためのエネルギ導入部のエネルギ導入分布の制御が
可能なエネルギ透過率を変えたエネルギ導入部１２を設
けることにより、被熱処理基板１の温度分布を簡単に制
御できるようになる。このように簡単に温度分布を制御
できるので、このような加熱源（例えばランプ）の交換
に伴う加熱源の固体差を補正するのが簡単になる。

【００２３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図４ないし図１０を
用いて説明する。

【００２４】本発明を実施した枚葉式熱処理装置の熱処
理容器の構造および容器に付随する各部品の配置図を図
４に示す。容器を構成する部品は大きくステンレス製箱
１６と加熱用ランプからの光を導入する石英製窓１７か
ら構成される。まず、ステンレス製箱１６には、被熱処
理基板１８を支持する四つの石英製ピン１９，容器内に
雰囲気ガスを導入する四つのガス導入部２０，容器内か
らガスを排気したり容器内を真空排気できる四つのガス
排気部２１，容器内の圧力計測部２２，水冷されたステ
ンレス製箱１６に埋め込まれた四つの熱電対２３，容器
内の温度を測定する四つの熱電対２４，上記ガス導入部
近傍に設置された四つの熱電対２５、および、上記ガス
排気部近傍に設置された四つの熱電対２６を設けた。

【００２５】また、ステンレス製箱１６にシールを介し
て設置される石英製窓１７は、容器内の圧力変化に耐え
られるように厚い（２cm）の石英板２７とランプ光強度
分布を制御するように光の透過度分布を持つ均一性制御
窓２８の２枚で構成される。なお、上記厚い石英板２７
には、石英板２７の温度測定のために四つの熱電対２９
を埋め込んだ。ここで、厚い石英板２７に埋め込まれた
熱電対２９は、被熱処理基板１８へのランプ光を遮らな
いように配置した。

【００２６】石英ピン１９は、ピン自身による被熱処理
基板１８の温度変動がないように非常に細い(０.５mm
φ）ものとした。また、ガス導入部２０は、図５に示す
ように、制御用の計算機からの信号でガスの切り換えが
でき、かつ、マスフロー制御ができるようにして、ガス
種類とガス流量を判断している。圧力計測部２２には、
大気圧以上でも大気圧以下でも圧力が測定できるように
２種類のセンサを設け、その情報を制御用計算機３０に
転送している。

【００２７】ステンレス製箱１６に埋め込まれた熱電対
２３は、保護用の石英管の中に埋め込み、その端子は、
制御用の計算機３０に接続している。また、他の熱電対
も、熱電対からの金属汚染が無いように保護用の石英管
に埋め込み、これらの端子も上記と同様計算機３０に接
続している。このような環境情報を判断して実際の被熱
処理基板１８の温度を計算機３０内部で求め、それをラ
ンプ３１の光強度を制御する電源部３２にフィードバッ
クをかける。

【００２８】均一性制御窓２８は、図６に示すように、
被熱処理基板１８の処理温度が均一になるようにランプ
光の透過度分布を持っている。なお、この透過度は、図
７に示すように均一性制御窓２８を研磨する研磨剤の粒
径により制御した。この透過度制御では、透過度を５〜
１００％の範囲で制御できる。この様な透過度制御は、
液晶板の水冷できるようにして石英板で挾みこんだもの
でも可能であった。この均一性制御窓２８を用いて被熱
処理基板１６に到達するランプ光強度分布を変えて、被
熱処理基板１８の温度分布を均一にした。具体的な均一
性は、６インチ基板内で±２℃以内である。

【００２９】この装置を用いて、まず、熱電対を埋め込
んだ種々の構造および種々の積層膜を有する被熱処理基
板１８を熱処理し、図８ないし図１０に示すように様々
な状況下で環境モニタの情報を計算機３０に取り込み、
基礎データとした。

【００３０】図８は、ガス種，ガス流量および圧力を一
定にして、第１の初期設定シーケンスである温度シーケ
ンス３３の処理を複数回繰り返したときのランプエネル
ギやそれぞれの箇所での温度の変化を示したものであ
る。１回目の処理の場合３４を基準に処理回数が増える
に従いランプエネルギやそれぞれの箇所での温度は３
５，３６，３７の順で変化して行く。

【００３１】また、他の初期設定シーケンスとして、図
９に示すように温度シーケンス３８の場合も同様に基礎
データを取り込んだ。ここで、図９もガス種，ガス流量
および圧力を一定にした。

【００３２】さらに、図１０に示すように、初期シーケ
ンスで温度シーケンス４３は図９と同じようにし、ガス
流量を多くした場合４４、被熱処理基板が加熱しにくく
なるためより大きなランプエネルギを必要とし、また、
被熱処理基板が加熱しにくなる分それぞれの箇所の温度
上昇が大きくなる。また、圧力を下げて熱処理を実施し
た場合４５、ガスによる熱伝導が無い分被熱処理基板が
加熱しやすくなるためより小さなランプエネルギで済
み、また、その分それぞれの箇所の温度上昇も小さい。
このような様々な初期設定シーケンスで基礎データを取
り込んでいる。尚、この実施例では、被熱処理基板１８
の構造および積層膜を変えても、実際の温度と環境モニ
タの情報に差は見られなかった。

【００３３】本実施例によれば、実際の被熱処理基板の
構造や膜構成の状態に左右されずに正確な温度モニタが
可能になった。また、熱処理温度分布の均一性向上が容
易になり、均一かつ高精度の温度制御ができる枚葉式熱
処理装置を得ることができた。さらに、この装置を用い
て半導体装置を製造することにより、特性のばらつきの
少ない半導体装置を得ることができ、従来に比べて一段
と歩留りが向上できた。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、実際の被熱処理基板の
構造や膜構成の状態に左右されずに正確な温度モニタが
可能になり、均一な熱処理が可能になるので、従来に比
べて熱処理の高精度化に効果がある。これは、将来の半
導体装置製造プロセスの枚葉処理化に大きく貢献でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の説明図。

【図２】本発明における環境データ取り込み方法の説明
図。

【図３】本発明における実際の熱処理時の計算機処理内
容の説明図。

【図４】本発明の実施例である枚葉式熱処理装置の熱処
理容器の斜視図。

【図５】本発明の実施例である枚葉式熱処理装置の環境
モニタ・温度制御図。

【図６】枚葉式熱処理装置に用いた均一性制御窓の透過
率分布図。

【図７】均一性制御窓の透過率とそれを研磨する研磨剤
の粒径との関係図。

【図８】初期設定シーケンスに基づいたランプエネルギ
および複数箇所での温度特性図。

【図９】初期設定シーケンスに基づいたランプエネルギ
および複数箇所での温度特性図。

【図１０】ガス流量およびガス圧力を変えた場合のラン
プエネルギおよび複数箇所での温度特性図。

【符号の説明】

１…被熱処理基板、２…加熱源（ランプ）、３…熱処理
容器、４，５，７，９，１０，１１…温度測定端子、６
…ガス排気部、８…エネルギ導入部(石英板)、１２…均
一性制御窓、１３…圧力測定部、１４…ガス種切り替え
部、１５…ガス流量設定部。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被熱処理基板の熱処理温度をモニタする測
   定端子を被熱処理基板に接しない部分に複数箇所設置
   し、それぞれの個所の温度変化を計算機処理して実際の
   熱処理温度とし、その温度をフィードバックして加熱源
   からのエネルギを制御することを特徴とする熱処理温度
   モニタ方法。
2. 【請求項２】請求項１において、熱処理温度をモニタす
   る温度測定端子の設置箇所が、枚葉式熱処理容器の熱処
   理雰囲気導入箇所，上記容器の熱処理雰囲気排気箇所，
   加熱源と被熱処理基板との間に構成されるエネルギ導入
   部，上記容器の所定の箇所，および、上記容器内の所定
   の箇所の何れかから選ばれる熱処理温度モニタ方法。
3. 【請求項３】請求項１において、上記それぞれの温度測
   定端子の設置箇所の温度変化に加えて、上記容器内の圧
   力および雰囲気の種類および流量をも考慮にいれて実際
   の熱処理温度を計算機処理する熱処理温度モニタ方法。
4. 【請求項４】請求項１，２または３において、上記被熱
   処理基板の温度をモニタする枚葉式熱処理装置。
5. 【請求項５】請求項１において、上記被熱処理基板の温
   度モニタを行う際、被熱処理基板内の温度分布を均一に
   するために、加熱源からのエネルギ分布を補正するため
   の上記エネルギ導入部のエネルギ導入分布の制御を、エ
   ネルギ透過率を変えたエネルギ導入部とする枚葉式熱処
   理装置。