JPH0796168A - 熱処理装置の温度制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 熱処理をゾーン毎に温度制御する場合であっ
ても各ゾーンのウェハに温度差が生じないような温度制
御方法を提供する。 【構成】 予め各ゾーン毎の所定の比較基準温度までの
昇温時間の時間差を測定し、時間差テーブルとして記憶
し、実際の制御時には、各ゾーン毎の時間差が相殺され
るように、各ゾーンの加熱手段の駆動タイミングを調整
することにより、処理室内の各ゾーンの昇温時間の時間
差をなくすことができるので、均一な温度で半導体ウェ
ハＷを昇温または降温させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明は、熱処理装置に関し、特に熱処理
装置のフィードフォワード温度制御方法に関する。

【産業上の利用分野】

【０００２】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（処理室）を設け、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。

【従来の技術】

【０００３】ところで、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り、特に処理室内の均一な昇温お
よび降温制御を行う必要がある。しかしながら、処理室
の外部に設置された加熱手段の出力を均一に保持し加熱
を行ったとしても、例えば反応炉の上方は熱が逃げにく
いのに対して反応炉の下方のマニホルド付近では熱の漏
洩が多く昇温しにくいなど、処理室内の各部位によって
熱損失特性が異なるため、処理室内の温度分布は場所に
よって大きく異なり、被処理体を均一に昇温あるいは降
温させることができず問題となっていた。そこで最近で
は、処理室内を複数の加熱領域（ゾーン）に分割し、複
数組の加熱手段により別個の加熱領域の温度制御を行う
ことにより、処理室内の温度分布を均一にする方法が開
発されている。

【０００４】

【課題を解決するための手段】しかしながら、このよう
にゾーン分割された反応炉の加熱手段を同じタイミング
で昇降温制御（以下、ランピングと称する）させる場合
であっても、上述のようにゾーン毎に熱伝達特性が異な
る条件の下で、如何にして、被処理体、例えば複数の半
導体ウェハの温度がゾーン毎に異ならないように均一に
昇温あるいは降温させるかが問題であった。その解決の
ため、従来よりゾーン毎にランピング設定が可能な複数
の温度コントローラを設け、各ゾーン毎に異なるランピ
ング設定を行っていたが、煩雑で熟練を要するランピン
グ設定を複数行う必要があるため、実用上は問題があっ
た。また、ゾーン毎にランピング設定ができない温度コ
ントローラの場合には、処理室の均熱化を達成すること
ができず問題であった。

【０００５】したがって、本発明は従来の熱処理装置の
温度制御に関する上記のよう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、温度コントロー
ラで複数の加熱手段を制御して、処理室内の温度が均一
になるように温度調節し、処理室内の各ゾーンに収容さ
れた被処理体間に温度差を生じさせずに均一に熱処理す
ることが可能な新規かつ改良された熱処理装置の温度制
御方法を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明に基づいて構成された熱処理装置の温度制御方
法は、処理室内に配列された被処理体をその処理室の外
部に設置されそれぞれ別個に出力制御可能な複数組の加
熱手段により加熱処理するにあたり、前記処理室内にお
ける前記各組の加熱手段による各加熱対象領域の温度を
検出し、前記各加熱対象領域の温度が所定温度から１な
いし２以上の基準温度に到達するまでの時間差を計測し
て記憶し、前記時間差が少なくなるように、好ましくは
相殺されるように前記各組の加熱手段の出力を制御する
ことを特徴としている。

【０００７】さらに本発明によれば、所望の設定温度と
前記各組の検出温度との時間差を計測して記憶し、その
所望の設定温度と前記各組の検出温度との時間差を相殺
するように前記各組の加熱手段の出力を制御する構成と
することも可能である。

【０００８】

【作用】本発明によれば、まず同じタイミングで加熱手
段を昇降温（ランピング）駆動し、処理室内の各ゾーン
の温度を検出し、各ゾーンにおいて所定温度例えば５０
０℃から基準温度例えば８００℃に到達するに要する時
間を計測し、任意に選択された基準ゾーン例えば最も遅
いゾーンと他のゾーンとの基準温度到達時間の時間差を
求め、温度コントローラのメモリに記憶する。この温度
コントローラは記憶された時間差が相殺されるように、
例えば最も遅かったゾーンに他の全てのゾーンが一致す
るように加熱手段の駆動タイミングを制御することが可
能である。また温度コントローラはかかる時間差情報、
すなわち加熱手段の駆動タイミング情報をプロセスコン
トローラに報告する。プロセスコントローラはこの時間
差情報に基づいて、例えば最も遅い時間差の分だけ事前
に昇温または降温指令を温度コントローラに与える。こ
の指令に応じて単一の温度コントローラが各ゾーンに対
応する複数の加熱手段を駆動することにより、処理室内
の各部位において熱損失特性が異なるにもかかわらず、
プロセスで意図した通りの均一な温度制御を達成するこ
とができる。

【０００９】また実験的にあるいはシミュレーションに
よりプロセスコントローラに予め与えられている最適処
理のための設定温度と、実際の各ゾーンの昇温との時間
差についても計測し、その時間差が相殺されるように各
加熱手段を駆動することにより、処理室内の各部位にお
いて熱損失特性が異なるにもかかわらず、プロセスが意
図する最適な設定温度で均一な温度制御を行うことが可
能となる。

【００１０】

【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の温度制御方法を半導体ウ
ェハの縦型高速熱処理炉に適用した一実施例について詳
細に説明する。

【００１１】図１に示す縦型熱処理炉は、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
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。

【００１２】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、排気ファン１２により上記間隔
３内の空気を強制排気することが可能なように構成され
ている。

【００１３】また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１３が上記反応管４の
底部から垂直方向上方に立ち上がるように設置されてお
り、その反応ガス供給管路１３の長手方向に適宜間隔を
おいて開設されたガス導入口１３ａから上記反応管４の
内部の処理室１４に所定の反応ガスを均一に導入するこ
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１
５が接続されており、上記処理室１３内を所定の圧力に
真空引きするとともに、反応ガスの換気を適宜行うこと
が可能なように構成されている。

【００１４】また上記ウェハボート６は、半導体ウェハ
Ｗを多段状に保持する保持部６ａの下に保温筒１６を介
して蓋体１７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１７
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１４内を上記排気管路
１５を用いて真空引きし、さらに上記排気管路１５から
の排気を行いつつ上記反応ガス供給管路１３から所定の
反応ガスを上記処理室１４内に導入することが可能なよ
うに構成されている。

【００１５】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、上記反応管４内
に垂直に配置される石英管１８内に挿入されて上記ウェ
ハボート６にて保持される半導体ウェハＷの近傍の複数
箇所（図示の例では上部、中央部および下部）に配置さ
れる温度検出手段である内部上部熱電対１９ａ、内部中
央部熱電対１９ｂ、内部下部熱電対１９ｃからの検出温
度信号を受けて、上記ヒータ５ａ、５ｂおよび５ｃを駆
動する駆動信号をヒータ電源２０に送り制御する温度コ
ントローラ２１から構成されている。

【００１６】また上記各ヒータ５ａ、５ｂおよび５ｃの
温度はそれぞれの近傍に配置される外部熱電対２２ａ、
２２ｂおよび２２ｃによって検出され、それらの検出信
号も上記温度コントローラ２１に送られ、上記ヒータ電
源２０を介して上記ヒータ５ａ、５ｂおよび５ｃを制御
するために使用される。この温度コントローラ２１は、
マイクロコンピュータを内蔵するとともにカウンタ３４
およびメモリ２３に接続されており、実際の処理に先立
って収集した上部、中央部および下部の半導体ウェハＷ
の温度ＴＷ１、ＴＷ２およびＴＷ３、上記ヒータ部熱電
対２２ａ、２２ｂおよび２２ｃの検出温度ＴＨ１、ＴＨ
２およびＴＨ３、さらに上記内部熱電対１９ａ、１９ｂ
および１９ｃの検出温度ＴＩ１、ＴＩ２およびＴＩ３に
関する温度データを時間関数あるいは時間差テーブルと
して上記メモリ２３に記憶し、そのデータを後述するよ
うに本発明方法に従って処理することによりフィードフ
ォワード制御用信号を作成し、そのフィードフォワード
制御用信号に従って上記ヒータ電源２０を制御するよう
にプログラムされている。

【００１７】この場合、半導体ウェハＷの温度ＴＷ１、
ＴＷ２およびＴＷ３を予め測定するためのデータ作成用
のウェハ（以下にダミーウェハという）ＤＷは、例えば
上部用（ＤＷａ）、中間部用（ＤＷｂ）および下部用
（ＤＷｃ）の計３枚が用意され、各ダミーウェハＤＷ
ａ、ＤＷｂおよびＤＷｃのそれぞれに熱電対２４ａ、２
４ｂおよび２４ｃが取り付けられる。そして、ウェハ熱
電対２４ａ、２４ｂおよび２４ｃの検出温度ＴＷ１、Ｔ
Ｗ２およびＴＷ３が上記温度コントローラ２１に入力さ
れるようになっている。なお、これらのダミーウェハＤ
Ｗａ、ＤＷｂおよびＤＷｃは、温度データ収集の際に炉
内に装着され、実際の処理の際には取り外されるもので
ある。

【００１８】次に強制空冷装置について以下説明を行
う。上記管状炉２と上記反応管４との間の間隔３に連通
する吸気口８は、例えば上記管状炉２の下部に設けられ
た管状空間２５の周方向に等間隔に複数、例えば８つ設
けられている。そして、これら吸気口８には上記間隔３
内に突出するようにノズル２６が取り付けられており、
シャッタ２７を介して給気ファン１０から供給される冷
却空気が均一に上記間隔３内に流れるようになってい
る。また排気口１１はシャッタ２８およびダクト２９を
介して工場などに設置される排気ダクト３０に接続され
ている。このダクト２９には、炉内を循環した結果高温
になった排気空気を室温まで冷却する熱交換器３１と、
この排気空気を円滑に排気ダクト３０に吸引するための
排気ファン１２が介設されている。この排気ファン１２
と上記給気ファン１０には、それぞれインバータ３２お
よび３３が取り付けられており、上記温度コントローラ
２１からの指令によってファン回転数を制御することが
可能なように構成されている。

【００１９】次に、上記のように構成された高速熱処理
炉に対して本発明に基づいて構成された温度制御方法を
適用した例について、図２〜図５を参照しながら説明す
ることにする。

【００２０】本発明に基づいて構成された温度制御方法
では、実際の処理を行う前に、処理時に使用されるフィ
ードフォワード制御用信号を形成するための温度データ
の収集を行う必要がある。そのためにプロセスコントロ
ーラは、図４に示すように、所望の熱処理を行うために
最適な設定温度を温度コントローラに送るとともに、温
度データ収集のための比較基準温度を設定する。温度コ
ントローラは設定温度に基づいてヒータを駆動するため
のランプ信号発生し、そのランプ信号をＰＩＤコントロ
ーラに送ることが可能である。なお設定される比較基準
温度は、例えば７５０℃といった１つの基準温度に設定
してもよいし、図５に示すように、例えば５００℃、７
５０℃、１０００℃、１２００℃といったように複数の
基準温度に設定しても構わない。また、プロセスコント
ローラ、温度コントローラ、ＰＩＤコントローラは図示
の例では説明の便宜のために別体として構成している
が、一体として、あるいは任意の組合わせで構成するこ
とが可能である。

【００２１】データ収集モードでは、吸気口８および排
気口１１のシャッタ２７および２８を閉じて吸気８およ
び排気口１１を塞ぐ。そして上記ウェハボート６の上
部、中間部および下部にそれぞれダミーウェハＤＷａ、
ＤＷｂおよびＤＷｃを装着し、昇降機構７の駆動により
上記ウェハボート６を上昇させて、３つのヒータ５ａ、
５ｂ、５ｃで所定のローディング温度、たとえば５００
℃に設定された上記反応管４内に挿入する。次いで、同
じタイミングで３つのヒータ５ａ、５ｂ、５ｃへの供給
電力をさらに増加させて、カウンタで計時しながら炉内
の昇温を行い、ウェハ熱電対２４ａ、２４ｂおよび２４
ｃと、内部熱電対１９ａ、１９ｂおよび１９ｃと、ヒー
タ部熱電対２２ａ、２２ｂおよび２２ｃとによる温度測
定を開始する。

【００２２】測定の結果、同じタイミングでヒータを駆
動した場合には、ヒータ部熱電対２２ａ、２２ｂおよび
２２ｃによる測定温度は、出力が同じであれば同じよう
に経時的に昇温しゾーン毎にズレが生じることはない。
しかしながら、ヒータ部から反応管内への伝熱経路ある
いは反応管内の各部分における熱伝達特性あるいな熱損
失特性はゾーン毎に異なるため、ウェハ熱電対２４ａ、
２４ｂおよび２４ｃまたは内部熱電対１９ａ、１９ｂお
よび１９ｃによる測定温度は、設定温度に対して図２に
示すようにゾーン毎に経時的なズレを生じる。本発明に
よれば、反応管４内部における各ゾーンの経時的なズレ
は、温度コントローラ２１内において所定の比較基準温
度点における昇温遅延時間である時間差ＴＤ１、ＴＤ２
およびＴＤ３として計算され、図５に示すような、５０
０℃を基準として、７５０℃、１０００℃、１２００℃
と昇温させた昇温時間差テーブルとしてメモリ２３内に
記憶される。

【００２３】このようにして、半導体ウェハＷの温度が
所定の温度になるまで測定を行い、温度制御用のデータ
を収集した後、上記強制空冷装置を動作させ、上記ヒー
タ電源２０をオフにしたり、あるいは供給電力を低下さ
せ所定のアンローディング温度、たとえば５００℃にし
て、上記ウェハボート６を再び下降させてダミーウェハ
ＤＷａ、ＤＷｂおよびＤＷｃを取り外す。その際、降温
時に生じる時間差についても時間差テーブルとしてメモ
リ２３内に記憶しておくことが好ましい。なお、上記の
例では、被処理体である半導体ウェハＷの表面領域にお
ける均一な温度制御を行うためにウェハ熱電対２４ａ、
２４ｂおよび２４ｃを用いて温度制御用のデータを収集
したが、そこまで厳密なデータが要求されない場合に
は、ダミーウェハによるデータ収集を行わずに、単に内
部熱電対１９ａ、１９ｂおよび１９ｃにより上記反応管
４内の各ゾーンの昇温時間差を計測することにより温度
制御用データを得るより簡便な方法を採用することも可
能である。

【００２４】以上のようにして、温度制御用のデータを
作成した後、実際の処理動作に入る。その際、まず吸気
口８および排気口１１のシャッタ２７および２８を閉じ
て吸気口８と排気口１１とを塞ぐ。そしてウェハボート
６に未処理の半導体ウェハＷを装着し、昇降機構７の駆
動によりウェハボート６を上昇させて反応管４内に挿入
する。次に温度コントローラ２１を実処理モードにし
て、各ゾーン毎のヒータ５ａ、５ｂおよび５ｃの駆動を
行う。その際に、本発明によれば、データ収集モードに
おいて獲得された図５の時間差テーブルから算出された
時間差に基づいて、各ヒータ５ａ、５ｂおよび５ｃの駆
動タイミングを制御することが可能である。その駆動タ
イミング制御の様子を図３に示す。

【００２５】本発明の第１の観点によれば、図３（ａ）
に示すように、メモリ２３に記憶されている時間差テー
ブルに基づいて、本発明によれば各ゾーンの時間差が相
殺されるように例えば最も昇温が早いゾーンに合うよう
に、昇温が遅いゾーンの加熱手段を時間差の分だけ早い
タイミングで駆動するためのランプ信号を温度コントロ
ーラ２１により作成し、時間差補正をした設定温度をＰ
ＩＤコントローラに送ることが可能である。このように
して予め時間差補正をした設定温度により各ゾーンの加
熱手段をフィードフォワード制御してやることにより、
ゾーン毎に異なる昇温特性、あるいは熱損失特性を有す
るにもかかわらず、被処理体を均一に昇温あるいは降温
させることが可能となる。

【００２６】さらに本発明の別の観点によれば、図３
（ｂ）に示すように、各ゾーンの加熱手段の間の昇温タ
イミングのみを調整するのみならず、プロセスコントロ
ーラが予めもっている最適処理のための設定温度と実際
の昇温時間との時間差についても計測し、その時間差が
相殺されるように時間差補正した設定温度をＰＩＤコン
トローラに送り、各ゾーンの加熱手段がそれぞれ最適処
理のための設定温度に重なるように、駆動タイミングを
調整することも可能である。かかるフィードフォワード
制御により、被処理体をプロセスが意図する最適な温度
条件でかつ均一に昇温あるいは降温させることが可能と
なる。

【００２７】以上のように温度制御して、半導体ウェハ
Ｗを目標温度まで加熱し、その温度を保持した状態で、
反応ガス導入管路１３より所定の処理ガス、例えば酸素
を上記反応管内に導入し、半導体ウェハＷの表面に酸化
膜を形成する。この酸化膜形成処理を所定時間行った
後、排気ファン１２および給気ファン１０を回転させ降
温を行う。この降温時にも、メモリ２３に記憶した降温
時の時間差テーブルに基づいて、各ゾーンのヒータ５
ａ、５ｂおよび５ｃをオフにするタイミングを調整し、
時間差を相殺してやることにより、均一な温度で半導体
ウェハＷを降温させてやることが可能となる。もっとも
昇温が遅いゾーンに合うように、昇温が早いゾーンの加
熱手段を時間差の分だけ遅いタイミングで駆動してもよ
い。

【００２８】また降温時には、内部熱電対１９ａ、１９
ｂおよび１９ｃの温度を検出し希望する降温速度になる
ように、排気ファン１２および給気ファン１０の回転数
を変化させるように温度コントローラ２１で制御すると
同時に、反応管４内にパージガスを導入し、パージ処理
を行う。このようにして反応管４内の温度が所定温度、
例えば室温まで低下した後、排気ファン１２および給気
ファン１０を停止し、昇降機構７の駆動によりウェハボ
ート６を下降させて、処理済みの半導体ウェハＷを取り
出して処理作業は完了する。

【００２９】なお上記実施例では、ヒータ５を半導体ウ
ェハＷの配列方向に沿って３分割して設けるとともに、
温度検出手段であるヒータ部熱電対２２、内部熱電対１
９およびウェハ熱電対２４をそれぞれ３カ所にゾーン分
割して温度測定を行う場合について説明したが、本発明
はかかる例に限定されない。ヒータおよび温度測定手段
は、必ずしも３分割である必要はなく、２分割以上であ
れば任意の数に分割することが可能である。

【００３０】さらに上記実施例では、本発明方法を半導
体ウェハの縦型熱処理装置に適用した場合について説明
したが、本発明はかかる実施例に限定されない。このほ
かにも特許請求の範囲に記載された本発明の技術的思想
を逸脱しない範囲で、半導体ウェハ以外の例えばガラス
基盤、ＬＣＤ基盤などの被処理体の熱処理装置の温度制
御にも応用することが可能である。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に基づいて
構成された温度制御方法によれば、処理炉内の各ゾーン
の異なる熱損失特性により、各ゾーンの昇温時間が不均
一であっても、その時間差が予め相殺されるように各ゾ
ーンの加熱装置の駆動タイミングが調整されるので、最
適かつ均一な昇温あるいは降温を実施することが可能で
ある。しかもかかる温度制御を単一の温度コントローラ
で実施することが可能なので装置構成を簡単にすること
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温度制御方法を適
用可能な縦型高速熱処理炉の一実施例を示す断面図であ
る。

【図２】ゾーン毎の昇温時間差を示すグラフである。

【図３】本発明に基づいて昇温時間差を補正する方法を
示すグラフである。

【図４】本発明に基づいて構成された温度制御方法の制
御流れを示す概略的なブロック図である。

【図５】本発明に基づいて構成された温度制御方法に使
用可能な時間差テーブルの一実施例を示す表である。

【符号の説明】

２ 管状炉 ３ 間隔 ４ 反応管 ５ ヒータ １９ 内部温度センサ ２２ 外部温度センサ ２４ ウェハ温度センサ ２１ 温度コントローラ ２３ メモリ ３４ カウンタ

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０５Ｄ 23/19 Ｇ 9132−3Ｈ Ｊ 9132−3Ｈ Ｇ０６Ｆ 19/00 Ｈ０１Ｌ 21/22 9278−4Ｍ 21/324 Ｚ

Claims (2)

【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それぞれ別個に出力制御可能な
   複数組の加熱手段により、加熱処理するにあたり、 前記処理室内における前記各組の加熱手段による各加熱
   対象領域の温度を検出し、 前記各加熱対象領域の温度が所定温度から１ないし２以
   上の基準温度に到達するまでの時間差を計測して記憶
   し、 前記時間差が少なくなるように前記各組の加熱手段の出
   力を制御することを特徴とする、熱処理装置の温度制御
   方法。
2. 【請求項２】 さらに所望の設定温度と前記各組の検出
   温度との時間差を計測して記憶し、その所望の設定温度
   と前記各組の検出温度との時間差を相殺するように前記
   各組の加熱手段の出力を制御することを特徴とする、請
   求項１に記載の温度制御方法。