JPH07283163A - 熱処理装置およびその温度制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 温度センサを使用せずとも最適な温度制御が
可能な熱処理装置およびその温度制御方法を提供する。 【構成】 本発明によれば、まず時系列獲得モードにお
いて、温度センサが設置されたダミーウェハを用いて最
適な熱処理を行った場合の加熱装置５の出力を時系列デ
ータとして獲得しメモリ１８ｃに格納しておく。そし
て、実際の処理時には、適当な時点でメモリ１８ｃに格
納された時系列データと同期をとり、その後は、その時
系列データを逐次読み出して加熱装置５を制御すること
により、ダミーウェハを処理した場合と同様の熱処理環
境を再現することが可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱処理装置およびその
温度制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、半導体製造工程においては、
被処理体である半導体ウェハの表面に薄膜や酸化膜を積
層したり、あるいは不純物の拡散を行うためにＣＶＤ装
置、酸化膜形成装置、あるいは拡散装置などが用いられ
ており、最近では、精度の高い処理を行うために、縦型
の熱処理炉が使用されている。この縦型の熱処理炉は、
一般に加熱用の管状炉を垂直に配置し、この管状炉の中
に石英などからなる反応管を（処理室）設け、多数の半
導体ウェハなどの被処理体を水平状態で縦方向に収容し
たボートを適当な昇降装置によって上昇させて上記反応
管内に搬入し、処理室内に導入される適当な反応ガスに
より、酸化膜形成などの所定の熱処理を炉内で実施する
ように構成されている。

【０００３】そして、集積回路の高速化、高集積化に伴
って半導体ウェハ表面の処理を高精度で制御する必要が
あるが、そのためには加熱処理時の温度制御の精度を高
めることが重要である。例えば、被処理体である半導体
ウェハを短時間で所定温度例えば５００℃から所定温度
例えば１０００℃まで上昇させるとともに、処理中は所
定温度例えば１０００℃に保持し、処理終了後には再び
短時間で所定温度例えば５００℃まで下降させてやる必
要がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の縦型
加熱炉の構成では、処理中に被処理体の温度を直接測定
することができないため、処理室の内部および／または
外部に設置された温度検出手段を利用して、間接的に炉
内の温度を制御する方法が採用されている。

【０００５】しかしながら、たとえば処理室の外部に設
置された温度検出手段により温度制御を行う場合には、
処理室の外部と内部の間で生じる所定温度到達時間差の
ために、処理室内温度の制御応答が遅くなり、処理室内
の温度を正確かつ迅速に制御することができなかった。
特に処理室内にウェハを載置したボートを挿入する際
に、一時的に系が不安定になり処理室内の温度が下がる
ことがあるが、従来の温度制御方法では制御応答が遅
く、処理室内の温度の回復（温度リカバリー）が遅くな
り、スループットを向上させる上での問題となってい
た。

【０００６】また、被処理体近傍の温度を検出するため
の内部温度検出手段を処理室内に設置し、その内部温度
検出手段により検出された内部温度に応じて温度制御を
行い、温度リカバリーを速める方法が試みられている。
しかしこの方法であっても、被処理体の温度を直接測定
するものではなく、また温度検出手段自体が処理室内に
設置されるため、処理中に温度検出手段にプロセスの膜
が付着し、正確な温度制御を行うことができず問題であ
った。

【０００７】本発明は上記のような従来の温度制御方法
の有する様々な問題点に鑑みてなされたものであり、そ
の目的とするところは、炉の内部および／または外部に
設置される温度検出手段を省略しても、正確かつ迅速な
処理室内温度制御を行うことが可能であり、特に温度リ
カバリ時の温度制御に対して好適な新規かつ改良された
熱処理装置およびその温度制御方法を提供することであ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の第１の観点によれば、処理室内に配列され
た被処理体を、その処理室の外部に設置された温調手段
により昇温して、その処理室内に導入された処理ガスに
より熱処理するための熱処理装置において、前記処理室
内に配列されたダミーウェハに対して前記処理ガスによ
り最適な熱処理を施した際の前記温調手段の出力を時系
列データとして記憶するための記憶手段と、実際に被処
理体を熱処理する際に、前記時系列データに基づいて前
記温調手段の出力を時系列的に制御するための温度制御
器とを備えたことを特徴とする、熱処理装置が提供され
る。

【０００９】その際に、さらに前記ダミーウェハが温度
検出器を設置し、その温度検出器から送られる温度信号
に基づいて前記温調手段の出力を算出するための演算手
段を設置することが好ましく、また前記温調手段による
加熱領域を複数ゾーンに分割し、各ゾーンごとに時系列
データを獲得し、各ゾーンごとに対応する温度制御器を
設けることが好ましい。

【００１０】さらに本発明の第２の観点によれば、処理
室内に配置された被処理体を、その処理室の外部に設置
された温調手段により昇温して、その処理室内に導入さ
れた処理ガスにより熱処理するにあたり、前記処理室内
にダミーウェハを設置し、そのダミーウェハに対して前
記温調手段の出力を調整しながら前記処理ガスによる最
適な熱処理を行い、その際の温調手段の出力の変化を時
系列データとして記憶し、実際に被処理体を熱処理する
際に、記憶された時系列データに基づいて前記温調手段
の出力を時系列的に制御することを特徴とする、熱処理
装置の温度制御方法が提供される。

【００１１】その際に、前記最適な熱処理が、ダミーウ
ェハに設置された温度検出器から送られる温度信号に基
づいて前記温調手段の出力をフィードバック制御するこ
とにより行われることが好ましく、また前記温調手段に
よる加熱領域を複数ゾーンに分割し、各ゾーンごとに時
系列データを獲得して、各ゾーンごとに温度制御を行う
構成とすることが好ましい。

【００１２】

【作用】本発明は以上のように構成されているので、次
のような優れた作用効果を奏することが可能である。す
なわち、本発明によれば、まず、ダミーウェハを用いて
最適な熱処理を行った場合の温調手段の出力を時系列デ
ータとして記憶手段に記憶しておく。そして実際の熱処
理にあたっては、従来のように処理室の内部および／ま
たは外部に設置された温度検出手段からの信号に基づく
フィードバック制御および／またはフィードフォワード
制御を行わず、記憶された時系列データに基づいて温調
手段の出力をオープンループ制御し、最適な熱処理を再
現する。その結果、簡単な装置構成で、熟練した技法も
要さずに、簡単かつ迅速な温度制御を実施することがで
きる。なおダミーウェハによるデータ獲得モードと実際
の処理モードとの同期は、たとえば炉の開放時点、ある
いはレシピのモード変更時点をトリガとしてとることが
可能である。さらに、データ獲得モードで使用するダミ
ーウェハに温度検出手段を設置し、そこからの温度信号
に応じて温調手段の出力を演算することにより、容易か
つ正確に最適な熱処理条件を算出することが可能であ
る。またバッチ式炉において加熱領域を複数ゾーンに分
割し、ゾーンごとに温度制御を行うことが可能な場合に
は、各ゾーンごとにダミーウェハを用いて時系列データ
を求め、そのデータに基づいて各ゾーンごとに温度制御
を行うことにより、複数の被処理体に対して均一な熱処
理を行うことができる。

【００１３】

【実施例】以下に添付図面を参照しながら、本発明に基
づいて構成された熱処理装置を縦型の減圧ＣＶＤ装置に
適用した一実施例について詳細に説明する。

【００１４】図１および図２に示す減圧ＣＶＤ装置は縦
型熱処理炉として構成され、図１はダミーウェハにより
時系列データを獲得する場合、図２には実際に処理を行
う場合が、それぞれ示されている。図示のように、水平
に固定された基台１上に垂直に支持された断熱性の頂部
を有する略円筒形状の管状炉２と、その管状炉２の内側
に所定の間隔３を空けて挿入された石英などからなる頂
部を有する略円筒形状の反応管４と、上記管状炉２の内
周壁に螺旋状に配設された例えば抵抗発熱体などのヒー
タよりなる加熱手段５と、複数の被処理体、例えば半導
体ウェハ（またはダミーウェハ）Ｗを水平状態で垂直方
向に多数配列保持することが可能な石英などからなるウ
ェハボート６と、このウェハボート６を昇降するための
昇降機構７とから主要部が構成されている。

【００１５】さらに上記管状炉２の底部には上記間隔３
に連通する吸気口８が設置されており、適当なマニホル
ド９を介して接続された給気ファン１０により上記間隔
３内に冷却空気を供給することが可能である。また上記
管状炉２の頂部には同じく上記間隔３に連通する排気口
１１が設置されており、上記間隔３内の空気を排気する
ことが可能なように構成されている。

【００１６】また上記反応管４の底部には図示しないガ
ス源に流量制御装置を介して接続された反応ガス供給管
路１２が設けられており、上記反応管４の内部の処理室
１３に所定の反応ガスを導入することが可能である。さ
らに上記反応管４の底部には図示しない真空ポンプなど
の排気手段に接続された排気管路１４が接続されてお
り、上記処理室１３内を所定の圧力に真空引きすること
が可能なように構成されている。

【００１７】また上記ウェハボート６は、半導体ウェハ
（またはダミーウェハ）Ｗを多段状に保持する保持部６
ａの下に保温筒１５を介して蓋体１６を備えており、上
記昇降機構７により上記ウェハボート６を上昇させるこ
とにより、上記蓋体１６が上記反応管４の底部の開口を
気密に封止することが可能なので、処理時には上記処理
室１３内を上記排気管路１４を用いて真空引きし、さら
に上記排気管路１０からの排気を行いつつ上記反応ガス
供給管路１２から所定の反応ガスを上記処理室１３内に
導入することが可能なように構成されている。

【００１８】次に上記のように構成された縦型熱処理炉
の温度制御系について説明する。温度制御系は、半導体
ウェハＷの配列方向に沿って複数（図示の例では上部、
中央部、下部）に分割配置される上部ヒータ５ａ、中央
部ヒータ５ｂおよび下部ヒータ５ｃと、それらのヒータ
の加熱量を制御するための電力変換器１７、たとえばＳ
ＣＲと、その電力変換器１７を制御するための温度制御
部１８とから構成されている。

【００１９】そして温度制御部１８は、後述するように
各ゾーンごとに設置されたダミーウェハのほぼ中央に設
置された温度センサ１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、たとえば
白金／白金／ロジウムからなるＲタイプの熱電対から送
られてくる起電力をディジタルの起電力（温度）データ
に変換するためのＡ／Ｄ変換器１８ａと、熱電対の起電
力（温度）データを基にヒータに対する出力指令値を、
たとえばＰＩＤアルゴリズムにより計算する出力計算器
１８ｂと、ヒータに対する出力指令値を時系列データと
して保持するメモリ１８ｃと、ディジタル値としてヒー
タに対する指令値を電力変換器１７の入力仕様に適合す
る信号に変換するためのデータ変換器１８ｄとから構成
されている。

【００２０】なお図示の例では、加熱ゾーンを３つに分
割し、各加熱ゾーンごとに時系列データを獲得する構成
を採用しているが、本発明はかかる構成に限定されな
い。たとえば、単一の加熱手段により処理室内を加熱す
る処理装置の場合には単一の時系列データを獲得し処理
することが可能であるし、あるいは任意の数のゾーンに
分割された処理装置に対しても任意の数の時系列データ
を獲得して処理を行うことが可能である。

【００２１】次に上記のように構成された縦型の減圧Ｃ
ＶＤ装置の動作について、図１および図２を参照しなが
ら説明する。

【００２２】１．時系列データ獲得モード まず本発明によれば、図１に示すようにダミーウェハを
各加熱ゾーンごとに設置して、実際の熱処理と同様の処
理を行い、加熱装置５の最適な出力条件を求める必要が
ある。すなわち、まず管状炉２の内壁に設置された加熱
装置５に電力を印加して、反応管４を加熱して、その内
部温度をたとえば５００℃にまで上昇させる。ついで蓋
体１６を開放して、各加熱ゾーンに対応する位置にダミ
ーウェハが設置されたウェハボート６をロードする。こ
のボートロード動作の開始とともに、図３に示すよう
に、反応管４の内部が外気と連通するため、反応管４内
の温度が下降する。ボートロード動作が終了し蓋体１６
が閉止されることにより、反応管４内の温度は上昇に転
じ、所定時間終了後に再び５００℃に収束する。その
後、さらに処理温度、たとえば６００℃にまで上昇させ
た後、たとえばＳｉＨ₄ガスなどの処理ガスが反応ガス
供給管路１２から導入されて、ダミーウェハに対してた
とえば０．１Ｔｏｒｒの減圧雰囲気でポリシリコンの成
膜処理を行い、所定の熱処理が終了した後、再び蓋体１
６を開放し、ウェハボート６を反応管４から取り出し、
蓋体１６を閉止することにより、一連の動作を終了す
る。

【００２３】そして、本発明によれば、上記熱処理が行
われている間、ダミーウェハに設置された熱電対などの
温度検出器１９ａ、１９ｂ、１９ｃにより、各ゾーンご
とにダミーウェハの温度が最適になるように各ゾーンの
加熱装置５ａ、５ｂ、５ｃの出力が制御部１８に送ら
れ、Ａ／Ｄ変換器１８ａにおいて温度データに変換され
た後、そのデータが出力計算器１８ｂに送られて、ＳＣ
Ｒなどの電力変換器１７の出力を切り換えるための指令
値が計算される。そしてこの指令値は、一方でデータ変
換器１８ｄを介して電力変換器１７に送られ、ダミーウ
ェハの温度が最適温度になるように加熱装置５ａ、５
ｂ、５ｃをフィードバック制御するために用いられ、他
方で、ヒータに対する出力指令値は時系列データとして
メモリ１８ｃに記憶される。なお、熱処理プロセス全て
に関する時系列データをメモリ１８ｃに記憶する場合に
は、膨大なメモリを消費するため、好ましくは系が不安
定であり、閉ループ制御になじまない温度リカバリ時の
時系列データをメモリ１８ｃに格納し、実際の処理にあ
たっては、温度リカバリ時にのみ本発明を適用する構成
を採用することも可能である。

【００２４】２．処理モード 実際に処理を行う場合には、図２に示すように、ウェハ
ボート６に必要枚数の半導体ウェハＷを設置し、反応管
４に収納した後、メモリ１８ｃに格納された最適な熱処
理の時系列データを逐次読み出して、加熱装置５ａ、５
ｂ、５ｃの出力が順次制御される。その際、記憶された
時系列データと実際の処理との同期をとることが重要で
あるが、同期をとるためのトリガとしては、たとえばボ
ートロード開始時点、ボートロード終了時点、温度リカ
バリ時点、あるいはレシピ上のモード切換時点などを設
定することが可能である。なお、図２に示す実施例で
は、反応管４の各加熱ゾーンに対応する位置に炉内温度
測定用熱電対２０ａ、２０ｂ、２０ｃが設置されている
が、これらの温度センサは、本発明の構成に必ずしも必
要なものではなく、たとえば予め記憶された時系列デー
タと実際の処理との同期をとるため、あるいは前述のよ
うに、系が不安定な温度リカバリ時のみ本発明に基づく
開ループ制御を適用して、その後、系が安定したランプ
アップ処理時またはランプダウン処理時に、従来通りの
閉ループ制御を行う場合に利用されるものである。。

【００２５】実際に処理を行う場合には、まず管状炉２
の内壁に設置された加熱装置５に電力を印加して、反応
管４を加熱して、その内部温度をたとえば５００℃にま
で上昇させる。ついで蓋体１６を開放して、各加熱ゾー
ンに対応する位置に被処理体である半導体ウェハＷが所
定枚数設置されたウェハボート６をロードする。そし
て、たとえばこのボートロード動作の開始時点に同期さ
せて、メモリ１８ｃに記憶されている時系列データを逐
次読み出し、出力計算器１８ｂを介してデータ変換器１
８ｄに送り、各ゾーンの加熱装置５ａ、５ｂ、５ｃの出
力を時系列的に制御することが可能である。その後、時
系列データ獲得モードと同じタイミングで、たとえばＳ
ｉＨ₄ガスなどの処理ガスを反応ガス供給管路１２から
導入することにより、被処理体に所望のポリシリコンの
成膜処理を施すことが可能である。さらに、時系列デー
タ獲得モードと同じタイミングで、処理ガスの供給を停
止し、蓋体１６を開放し、ウェハボート６を反応管４か
ら取り出し、蓋体１６を閉止することにより、一連の動
作を終了する。

【００２６】以上の説明から明らかなように、本発明に
よれば、一旦時系列データ獲得モードにおいてダミーウ
ェハを用いて最適な熱処理に関する時系列データを獲得
し、その時系列データをメモリに記憶しておくことによ
り、実際の製品ウェハを処理する場合には、たとえ系が
不安定な温度リカバリ時であっても、いずれかの時点に
おいて時系列データとの同期をとった後、同じ時間経過
とともに同じ動作を行うことにより、温度センサなどの
フィードバック制御手段を用いずとも、最適な熱処理を
行うことが可能である。

【００２７】なお以上の実施例においては、バッチ式の
減圧ＣＶＤ装置を例に挙げて本発明を説明したが、本発
明はかかる実施例に限定されず、常圧ＣＶＤ装置、拡散
装置、酸化装置、成膜装置、さらには枚葉式の装置に対
しても適用することが可能であることは言うまでもな
い。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、まず、ダミーウェハを
用いて最適な熱処理を行った場合の温調手段の出力を時
系列データとして記憶手段に記憶しておく。そして実際
の熱処理にあたっては、従来のように処理室の内部およ
び／または外部に設置された温度検出手段からの信号に
基づくフィードバック制御および／またはフィードフォ
ワード制御を行わず、記憶された時系列データに基づい
て温調手段の出力を制御し、最適な熱処理を再現するこ
と可能である。その結果、簡単な装置構成で、熟練した
技法も要さずに、簡単かつ迅速な温度制御を実施するこ
とができる。また、データ獲得モードで使用するダミー
ウェハに温度検出手段を設置し、そこからの温度信号に
応じて温調手段の出力を演算することにより、実際の処
理にあたっての処理面の温度を推定し、容易かつ正確に
最適な熱処理条件を算出することが可能である。またバ
ッチ式炉において加熱領域を複数ゾーンに分割し、ゾー
ンごとに温度制御を行うことが可能な場合には、各ゾー
ンごとにダミーウェハを用いて時系列データを求め、そ
のデータに基づいて各ゾーンごとに温度制御を行うこと
により、複数の被処理体に対して均一な熱処理を行うこ
とができる。そして、本発明は、特に系が不安定であ
り、通常の閉ループ制御になじまない温度リカバリ時の
温度制御を正確かつ迅速に行うことが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に基づいて構成された熱処理装置の時系
列獲得モード時の動作を示す概略的な断面図である。

【図２】本発明に基づいて構成された熱処理装置の実際
の処理モード時の動作を示す概略的な断面図である。

【図３】縦型熱処理炉のボートロード時の温度リカバリ
の様子を示す説明図である。

【符号の説明】

２ 管状炉 ４ 反応管 ５ 加熱装置 １７ 電力変換器 １８ 温度制御部 １８ａ Ａ／Ｄ変換器 １８ｂ 出力計算器 １８ｃ メモリ １８ｄ データ変換器

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 処理室内に配列された被処理体を、その
   処理室の外部に設置された温調手段により昇温して、そ
   の処理室内に導入された処理ガスにより熱処理するため
   の熱処理装置において、 前記処理室内に配列されたダミーウェハに対して前記処
   理ガスにより最適な熱処理を施した際の前記温調手段の
   出力を時系列データとして記憶するための記憶手段と、 実際に被処理体を熱処理する際に、前記時系列データに
   基づいて前記温調手段の出力を時系列的に制御するため
   の温度制御器とを備えたことを特徴とする、熱処理装
   置。
2. 【請求項２】 さらに前記ダミーウェハが温度検出器を
   備え、その温度検出器から送られる温度信号に基づいて
   前記温調手段の出力を算出するための演算手段が設けら
   れていることを特徴とする、請求項１に記載の熱処理装
   置。
3. 【請求項３】 前記温調手段による加熱領域が複数ゾー
   ンに分割されており、各ゾーンごとに時系列データが獲
   得され、各ゾーンごとに対応する温度制御器が設けられ
   ていることを特徴とする、請求項１または２のいずれか
   に記載の熱処理装置。
4. 【請求項４】 処理室内に配置された被処理体を、その
   処理室の外部に設置された温調手段により昇温して、そ
   の処理室内に導入された処理ガスにより熱処理するにあ
   たり、 前記処理室内にダミーウェハを設置し、そのダミーウェ
   ハに対して前記温調手段の出力を調整しながら前記処理
   ガスによる最適な熱処理を行い、その際の温調手段の出
   力の変化を時系列データとして記憶し、 実際に被処理体を熱処理する際に、記憶された時系列デ
   ータに基づいて前記温調手段の出力を時系列的に制御す
   ることを特徴とする、熱処理装置の温度制御方法。
5. 【請求項５】 前記最適な熱処理が、ダミーウェハに設
   置された温度検出器から送られる温度信号に基づいて前
   記温調手段の出力をフィードバック制御することにより
   行われることを特徴とする、請求項４に記載の熱処理装
   置。
6. 【請求項６】 前記温調手段による加熱領域が複数ゾー
   ンに分割されており、各ゾーンごとに時系列データが獲
   得されて各ゾーンごとに温度制御が行われることを特徴
   とする、請求項４または５のいずれかに記載の熱処理装
   置。