JPS62266385A - ランプアニ−ル炉の温度制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体のウェーハプロセスにおけるイオン注
入層の活性化、リンシリケートガラスのりフロー、金属
のアニール、Ｓｌと金属のオーミックコンタクトの形成
等に使用されるランプアニール炉（光加熱装置）の温度
制御装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来のランプアニール炉は、第１０図に示すように平板
状反射板１に面して、棒状のタングステン・ハロゲンラ
ンプ（以下ランプと略する）２．２・・・・が平行に配
置され（反射板１の表面は、反射効果を高めるため、各
ランプに対して曲面状に加工してもよい。）、この反射
板１とランプ２０組が上下或いは左右に離間して設置さ
れ、それらの間に石英ガラス製のプロセスチューブが配
置されたものである。

イオン注入された半導体ウェーハ４は、プロセスチュー
ブ３内に収容された石英製サセプタ５上に載置され、こ
の状態でランプ２を照射して加熱される。一方、プロセ
スチューブ３とふた６とからなる処理用空間に処理用ガ
スの導入排出が行われ、ウェーハ４が処理される。

第１１図はウェーハの加熱処理におけるウェーハ温度の
目標パターンの一例で、ウェーハ温度は温度上昇開始後
約８秒で約１０００℃の定温域に達し、同じく約３０秒
後から徐々に冷却する。

このパターンはランプ出力を制御することによって得ら
れる。

ところで、ランプ出力の制御方式には開ループ制御方式
と閉ループ制御方式とがあシ、各々つぎのように実施さ
れる。

１）開ループ制御方式 実験的に求められたランプ出方パターンに従って実施さ
れる制御方式で、例えば第１２図に示すように、ランプ
出力を最初は大きく、一定時間後はそれより小さくかつ
漸減するように制御する。

２）閉ループ制御方式 熱電対などの温度センナをウェーハに接触させ、ウェー
ハの温度を測定しながらランプ出力を目標のパターンに
合致させるよう忙制御する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来のランプアニール炉の温度制御装置において、ラン
プ出力は上記の２方式のいずれかに従って制御されてい
たが、それらの方式は下記のような問題を含んでいた。

１ン　開ループ′制御方式における問題点ウェーハ温度
はランプより与えられるエネルギによって決定されるが
、 ａ）ウェーハの初期温度、吸収率が異なると同一のエネ
ルギを与えても温度上昇の状態が異なり、被卯熱物が成
る温度に達する時間は様々に変化する。すなわち、制御
対象の状態は時々刻々変化するので、再現性のよいパタ
ーンを達成することはできない。

ｂ）プロセスチューブや処理用のガスの初期温度が異な
ると同一のエネルギを与えても温度上昇の状態が異なる
。

等の理由により、第１１図に示すような目標パターンを
得ることができなかった。

２）熱電対を用いた閉ループ制御方式における問題点 熱電対を用いて物体の温度を測定する場合、熱電対と物
体とが熱平衡に達していることが前提となるが、ランプ
アニール炉による加熱ではウェーハの温度上昇が短時間
で行われ、熱電対とウェーハは熱平衡に達せず、熱電対
は正確なウェーハ温度を示さない。

したがって、熱電対の出力を基にランプの出力を制御し
て目標パターンに合致した熱電対出力を得たとしても、
それは熱電対の温度を制御しただけのことで、実際のウ
ェーハ温度のパターンは目標パターンに合致しないこと
になる。

そこで、開ループ制御方式および熱電対を用いた開ルー
プ制御方式における上記の問題点を回避するため、熱平
衡のための時間を必要としない放射温度計を使用し、ウ
ェーハ温度を測定しながらランプ出力を目標パターンに
従って制御しようとすると、下記のような問題が起こっ
てくる。

３）放射温度計を用いた閉ループ制御方式における問題
点 放射温度計で物体の温度を測定する場合、被測定物がそ
の波長帯の温度で不透明で、測定物体の周りに熱放射源
がない場合は問題がないが、ランプアニール炉の処理対
象の一つであるＳｌは、赤外領域で（５００℃位まで）
半透明物体であシ、またプロセスチューブ自体も温度が
上昇するので、そこからの熱放射が測定物（Ｓｌ）を通
過して放射温度計に入射する。

その結果放射温度計は被測定物の温度を正確に指示しな
い。

また一般的に放射温度計の測定範囲には限界がちシ、被
測定物の昇温過程の全域にわたって測定することは困難
である。

そこで、放射温度計が周囲からの熱放射により温度測定
誤差を生じやすい赤外領域では、前記誤差を補正しつつ
開ループ制御を行い、それ以降では閉ループ制御を行う
ことにより、これらの問題点は一応解決することができ
る。

４）上記のように、従来の各制御方式の問題点を解決し
て温度プロファイルの再現性を得るには、開ループ制御
と閉ループ制御との組み合わせが不可欠であるが、それ
でも、ウェーハの種類、ウェー・・の表面状態の違い、
さらにその他シリサイド形成等、種々多様な処理に対し
て再現性のよい処理を行うためには、上記の制御装置で
はなお不十分であって、処理単位ごとに制御パラメータ
（ｉＰ、　Ｐ、　ｉ、　Ｄ等）を調整することのできる
装置が必要となる。

〔問題点を解決するだめの手段〕

本発明によれば、ランプアニール炉の温度制御装置を、
被加熱体を加熱するランプ群、ランプ出力を制御するサ
イリスタ制御装置等のランプ制御装置、被加熱体の温度
を測定する放射温度計、放射温度計の出力を受けランプ
出力制御装＃に信号を送出する演算装置および処理単位
ごとの制御パターンを入力する入力装置から構成し、前
記入力装置に入力された設定値に従って加熱開始時点に
目標とする温度に関連して定めた一定のランプ出力を行
い、所定の閉ループ制御開始温度に達するまでは一定値
を維持するか、あるいは予め定めたパターンに従って出
力を制御（開ループ制御）シ、それ以降は目標のパター
ンに一致させるようにランプ出力を制御する（閉ループ
制御）ことにより、処理単位にそれぞれ適合した温度プ
ロファイルを再現し、適切な加熱処理を行うことができ
る。

入力装置の一部であるデジタルスイッチにて開ループ制
御時の出力パワー（ＩＰ）および閉ループ制御時の制御
パラメータ（Ｐ、　ｉ、　Ｄ）を設定することにより開
ループ、閉ループ制御時のパラメータ（ｉＰ、　Ｐ、　
ｉ、　Ｄ）を処理単位ごとに調整し、被加熱物に適合し
た加熱処理を施すことができる。

〔実施例〕

第１図はランプアニール炉における放射温度計９および
熱電対１０の設置状況を示す縦断側面図である。炉は、
第１０図を参照して説明した従来の炉と同様に、平板状
反射面１とランプ２０組が上下または左右に離間して設
置され、それらの間にプロセスチューブ３が配置され、
さらにその中にウェーハ４を載置したサセプタ５が収容
されたものである。

ウェーハ４の温度を測定するため、プロセスチューブ３
の側面の開口には中空管が溶接され、その他端は取付具
８を介して放射温度計９に連結され、放射温度計９は、
プロセスチューブ３の前記開口から中空管７を通して、
半導体ウェーハ４からの放射光を受光するようになって
いる。

第２図は目標パターンの一例を示す図で、閉ループ開始
温度Ｔ、から約ｔ８秒後に定温域温度Ｔ２に達し、ｔ２
秒後から温度が漸減するバターンである。

第３図は半導体ウェーハ４の温度を制御する温度制御装
置のブロック図である。温度制御装置は、放射温度計、
プロセスチューブの壁面温度を測定する熱電対、演算装
置、ランプ出力制御装置およびランプ群より構成され、
各ブロックの機能は次のとおシである。

１）　放射温度計 半導体ウェーハ４の放射光を受光し、ウェーハ温度に対
応した信号を出力する。

２）熱電対 プロセスチューブ３の壁面温度に対応した信号を出力す
る。

３）演算装置 放射温度計９の出力が一定値に達するまでは、ランプ群
が一定の出力か或いは予め定めたパターンに従った出力
を発生するようにランプ出力制御装置を制御する。加熱
開始時点のプロセスチューブの壁面温度により、目標と
する温度に関連して定めた一定のランプ出力を補正し、
放射温度計９の出力が一定値に達するまでの時間が一定
となるようにランプ出力制御装置を制御する。

放射温度計の出力が一定値に達した以降は、目標のパタ
ーンに一致させるようにランプ出力制御装置を制御する
。

４）ランプ出力制御装置 演算装置の指示に従ってランプ群の出力を制御するが、
具体的にはサイリスタやトライアックによってランプの
電流を制御する。

第４図ａは演算装置の実施例のブロック図である。この
演算装置はアンプ、Ａ／Ｄコンバータ、入力装置、デジ
タルスイッチ入力回路、マイクロコンピュータ、Ｄ／Ａ
コンバータおよび表示装置より構成され、その各ブロッ
クの機能は次のとおりである。

１）マイクロコンピュータ 後述する機能がプログラムによ少入力され、そのＲＯＭ
領域に蓄えられている。

２）　　Ａ／Ｄコンバータ 放射温度計の出力（アンプ１経由）および熱電対の起電
力に対応する出力（アンプ２経由）をＡ／Ｄ変換し、マ
イクロコンピュータに送出する。

３）　　Ｄ／Ａコンバータ マイクロコンピュータの出力をＤ／Ａ変換し、ランプ出
力制御装置に送る。

４）入力装置 処理条件の設定、目標パターンの設定、制御パラメータ
の設定を行う。

５）表示装置 入力装置からデータを入力する場合の表示や、マイクロ
コンビエータの内部状態の表示を行う。

第４図すは入力装置の一部で、処理単位（処理Ｎ［Ｌ）
ごとに制御パラメータの調整を行う部分のブロック図で
ある。

つぎに、マイクロコンピュータの動作について説明する
。

■　入力装置より、処理条件（設定温度、時間等）が入
力されると、マイクロコンピュータ内のＲＯＭに記憶さ
れた条件により処理の目標パターン、制御パラメータ（
ｉＰｏｔ　ｐ、　ｉ、　Ｄ）が決定され、ＲＡＭに書き
込まれる。

■　処理目的に対してデジタルスイッチ（第４図ｂ）に
より、該当する処理随に対して、開ループ制御時の初期
出力（’ＰＯ）、閉ループ制御時の制御パラメータ（Ｐ
＃　Ｌ　Ｄ）等が入力されると、■で決定されたＲＡＭ
の内容が更新され、以降処理随の指定により、更新され
た条件で処理が行われる。

第５図は上記処理のフローチャートを示す。

■　処理随が指定され、スタートスイッチが押されると
、マイクロコンピュータはＲＡＭ内に設定（あるいは更
新）された内容により初期出力を発生するように指令し
、放射温度計の出力が一定温度に達するまでは初期出力
を出力し、開ループ制御が行われる。

■　一定温度に達すると、目標パターンに一致させるよ
うにＰｉＤ演算を行い、演算結果をＤ／Ａコンバータに
出力し、閉ループ制御が行われ、処理が完了すればスタ
ート前の状態に戻る。

第６図すはＰｉＤ演算の方法を示す。

ここでＴｒｔは目標パターン上の時刻ｔにおける温度デ
ータ、ＴＩｔは時刻ｔＫおける放射温度計の出力である
。ｅｔ、θｔ、θｔ＋Ｍｔ　　などは図中に示すとおシ
の計算式で定義される。

第７図は第６図の；：二’、内の変形実施例である。

ａ）は一定温度に達するまでの間、たとえば時刻ｔｉｔ
で初期出力から出力Ｐ、に、時刻ｔｌ！で出力Ｐ、に・
・・・のような、予め定められたパターンで出力を制御
する方法、ｂ）は閉ループ制御の開始を、前述の一定温
度でなく放射温度計が温度上昇を開始したことをもって
行う方法、ｃ）は閉ループ制御の開始を、放射温度計の
温度上昇開始後一定温車幅以上上昇したとき、例えば温
度Ｔｌｔが上昇開始後Ｔｉｔｏから温度Ｔｅだけ上昇し
た温度Ｔｌｔｏ　”　Ｔｅ以上になったときをもって行
う方法をそれぞれ示す。

これらの方法の中、ｂ）、Ｃ）の場合、目標の温度パタ
ーンの基本は第１１図で与えられるが、閉ループ制御の
開始温度が例えばＴ、であシ、このとき初期出力の出力
抜上〇′秒後経過しているとすると、１　７秒をあらた
めて七〇秒とし、７１以上の温度範囲の温度パターンを
目標パターンとして用いる。

第８図は第６図ａ）にプロセスチューブの壁面温度によ
り初期出力を算出補正（ｉＰ演算）する機能を加えたも
のであり、働きは第６図と同様である。

第９図に１Ｐ演算の方法を示す。ここでＴｅｈはプロセ
スチューブの壁面温度、ＴＲは設定処理温度、Ｔ′は予
め定めた定数、ＩＰＯは予め定めた定数（チューブの壁
面温度が常温）、ＩＰは初期出力算出値（補正値）をそ
れぞれ示し、１Ｐは図中の計算式で算出される。

〔発明の効果〕

本発明は一定温度まで開ループ制御を行い、それ以降目
標パターンに従う閉ループ制御を行うことにより、 １）放射温度計を被加熱部が不透明物体になる成る温度
以上から制御に使用して閉ループ制御を行うため、所期
の正しい温度制御を行うことができる。

２）初期状態の違いＫよる温度’ｒ＋（第２図参照）ま
での上昇時間は無視され、初期状態の違いがこの時間内
に吸収され、温度１１以上の制御に悪影響を及ぼさない
（熱処理として意味のある温度は一定温度Ｔ２から−１
００〜−２００℃の範囲でそれ以下は影響がない）。

３）常に一定温度’ｒｔ　（第２図）以上の範囲に対し
てＰｉＤの係数が調整される。即ち、初期状態の影響が
取シ除かれた範囲での調整により、調整段階と実際の処
理段階での再現性がよい。

４）開ループ制御時の初期出力について、プロセスチュ
ーブ壁温度によって補正を施すことにより、閉ループ制
御に移行する温度が一定となり、閉ループ移行後の処理
の再現性がよく、プロセスチューブが熱平衡に達し、ま
た被加熱物の初期温度を一定かつ一定の間隔で処理する
と同様の結果が得られる。

すなわち、プロセスチューブの壁面温度、ウェーハ初期
温度等の処理初期条件に影響されずに、閉ループ開始温
度以降の再現性のよい温度制御を行うことができる。

５）開ループ制御時の初期出力（ｉＰｏ）および閉ルー
プ制御時のパラメータ（Ｐ、　ｉ、　ＤＪが処理単位ご
とに容易に調整できるため、種々多様な処理に対して再
現性のよい処理が行える。

等の顕著な効果を奏することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施するための、放射温度計および熱
電対設置状況を示すランプアニール炉の縦断側面図。第
２図は目標パターンの一例を示す図。第３図は温度制御
装置のブロック図。 第４図は演算装置の実施例（マイクロコンピュータ化）
を示すブロック図。第５図は前記マイクロコンピュータ
ておける入力処理のフローチヤード。第６図はマイクロ
コンピュータにおける制御処理のフローチャート。第７
図はその変を実施例を示すフローチャート。第８図は初
期出力の補正方法を含む実施例のフローチャート。 第９図は初期出力補正方法を示すフローチャーを示す線
図。 １・・・反射板、２・・・ハロゲンランプ、３・・・プ
ロセスチューブ、４・・・ウェーハ、５・・・サセプタ
、６・・・ふた、７・−・中空管、８・・・取付具、９
・・・放射温度計、１０・・・熱電対。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、被加熱体を加熱するランプ群、ランプ出力を制御す
   るサイリスタ制御装置等のランプ出力制御装置、被加熱
   体の温度を測定する放射温度計、放射温度計の出力を受
   けランプ出力制御装置に信号を送出する演算装置および
   処理単位ごとの制御パターンを予め入力する入力装置か
   ら構成され、前記入力装置に入力された設定値に従つて
   加熱開始時点に目標とする温度に関連して定めた一定の
   ランプ出力を行い、所定の閉ループ制御開始温度に達す
   るまでは前記一定値を維持するか、あるいは予め定めた
   パターンに従つて制御し（開ループ制御）、それ以降は
   目標のパターンに一致させるようにランプ出力を制御す
   る（閉ループ制御）ことを特徴とするランプアニール炉
   の温度制御装置。 ２、前記入力装置に開ループ制御時の出力パワー（ｉＰ
   ）および閉ループ制御時の制御パラメータ（Ｐ、ｉ、Ｄ
   ）を設定するデジタルスイッチを有することにより開ル
   ープ、閉ループ制御時のパラメータ（ｉＰ、Ｐ、ｉ、Ｄ
   ）を処理単位ごとに調整可能にされた特許請求の範囲第
   １項記載の温度制御装置。 ３、前記閉ループ制御開始温度が放射温度計の出力が上
   昇を開始する温度または上昇開始後一定温度幅以上上昇
   した温度である特許請求の範囲第１または第２項記載の
   温度制御装置。 ４、閉ループ制御の目標パターンは０℃から定められた
   パターンのうち閉ループ開始温度より高い温度範囲のパ
   ターンを用いる、特許請求の範囲第１または第２項記載
   の温度制御装置。 ５、プロセスチューブの壁面温度を測定する熱電対をさ
   らに具え、開ループ制御時のランプ出力が目標とする温
   度に関連して定めた一定のランプ出力を行うが、プロセ
   スチューブの壁面温度により、前記一定のランプ出力を
   補正するようにした特許請求の範囲第１ないし第４項の
   いずれか１項記載の温度制御装置。