JPS6293926A - 半導体ウエハの熱処理装置 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、反応管内に設置した半導体ウェハの熱処理装
置に係り、特に縦形装置において過渡的なウェハ温度制
御を行うのに好適な半導体ウェハの熱処理装置に関する
ものである。

〔発明の背景〕

従来のこの種の装「ｔは、第３図に示すように。

円筒状の反応管１と、その周囲に設置した熱処理用ヒー
タ２とで主構成をなし、複数の半導体ウェハ３を反応管
１の一端側のウェハ出入口１ｄから管軸方向に反応管１
内に挿入し、蓋部５で出入口を封じ２反応／ｒ？１の他
端側のガス導入口１　ｂから処理ガスを導入し、ヒータ
２で熱処理するものであった。

このような従来装置において、多数の半導体ウェハを同
時に均一な湿度となるように制御するために、通常中央
に主ヒータ２ｂを設け、その両わきに補正用ヒータ２ａ
、２ｃを設けて反応管端部における熱損失を補正する方
法が多く採用されてきた。具体的な温度制御方式として
は、マスタスレーブ方式あるいはオールマスタ一方式が
知られている。前者の方式は例として第４図に示すよう
に、主ヒータ２ｂ配置位１ｒｔに対応する反応／ｌ？１
付近に温度測定用プローブ６ｂを配置し、該当プローブ
６ｂによる温度ｌＩす定値（へ後モニタ温度と呼ぶ）と
、あらかじめ与えられた設定温度Ｔｓ２とを温度調節器
７ｂで比較演算して主ヒータ２ｂの発熱）よを決定し、
さらに両わきに設置した補正用ヒータ２ａ、２ｃ配装位
置に対応する反応管］、付近に設けた温度測定用プロー
ブ６ａ、６ｃによるモニタ温度測定値が、それぞれ土ヒ
ータ２ｂに対する設定温ｅＴｓｚと一定の温度差となる
ように補正用ヒータ２ａ、２ｃの発熱量を温度調節器７
ａ。

７ｃを用いて決定するものである。後者については例え
ば特開昭５７−１１２０１１号に記載されており、第５
図に示すように−Ｌ上ヒータｂ、補正用ヒータ２ａ、２
ｃに対する設定温度Ｔｓ２．Ｔｓｔ、　Ｔｓｓを個＞１
１１に与え、温度？ｌｌｌｌｌｌ日用プローブ６ａ。

６ｃによるモニタ温度Ｈ１ｌｌ定値と各々対応する前記
設定温度とをそれぞれ比較演算することにより、主ヒー
タ２ｂ及び両わきの補正用モータ２ａ。

２ｃの発熱量を互いに独立に決定するものである。

第４図及び第５図は主ヒータ２ｂ及び両わきの補助ヒー
タ２ａ、２ｃの３個のヒータを有する場合について示し
たが、実開昭５９−１４５０２８号に見られるようにヒ
ータ個数をさらに増加させたものもある。

最近、ウェハ収納冶↓１．と反応管との接触１．７よる
石英パーティクルの発生を防止することｔ　ｔｌ的とし
て、反応管の中心軸が鉛直方向となる縦形装置が製作さ
れている。この縦形装置においては、ヒタは鉛直方向に
配置されている。この様な装置を製作し温度制御を行っ
たところ、ヒータ間で熱的な相互干渉が見られるという
問題点が明らかになった。すなわち第６図に示したよう
に２全体を熱的安定状態に保った後、時刻ｔ。よりある
ヒータ］、０の発熱量をステップ状に変化させ、他のヒ
ータの発熱量を一定に保持した場合（図では他のヒータ
のうち一つのヒータ］−１の発熱量のみ例示）、第７図
にみられるように発熱量を変化させたヒータ１０位置の
温度のみならず、発熱量を変化させていない他ヒータ１
〕−位置のモニタの温度も犬きく変化した。これは装置
を縦形化したことに伴い。

従来の横形装置に比べて、鉛直方向の温度差に起因する
自然対流の効果が大きく現オ〕れたためと推察される。

このように、ウェハの熱処理において、ウェハの挿入、
引出し時、ランピング等の時間的にヒータの発熱量を変
化させ、その結果鉛直方向の温度分布が時間的に変化す
るような過渡的な場合の温度制御を行う場合、上記のヒ
ータ間の熱的な相互干渉は温度制御の精度を低下させ、
制御に要する時間を遅延させる要因となることがわかっ
た。

さらに縦形装置を用いて、第８図に示すようにウェハ挿
入後の各位置の温度測定を行ったところ、各ヒータのモ
ニタ温度ＴＭが時間的に一定となり、したがって各モニ
タ温）ｅ　Ｔ　Ｍにより決定される各ヒータ発熱ｉＱが
一定になった後も、挿入されたウェハのうち特に端部に
設置されているウェハ付近の温度が上昇した。このとき
装置端部断熱材中に設置した熱電対温度も上昇しており
、ヒータ部が熱的に定常となっても、装置端部では熱的
応答に対する時定数が大きく未だ過渡的状態にあり。

端部に設置されているウェハ温度が変化する原因である
ことが示された。このことは端部ウェハ温度の変化は従
来行われてきたヒータ部の温度Ｔｓのみでは検出できず
、Ｔｓを用いた制御のみではウェハの横方向の温度均一
化に関する時間が長くなるという欠点があることが明ら
かとなった。さらに上記の時定数の違いによる熱的応答
の遅れは、従来の横形装置においてもみられた。

従来の温度制御は、第９図のブロック線図に示すように
設定温度Ｔｓを与え、ヒータ部に設けた熱電対の検出温
度（モニタ温度）ゴＨをフィードバックし、温変、！ｌ
！１節器７で発熱量を指示し、ヒ・−タ２で発熱させる
。図中ｅはＴＳ、ＴＯより定まる温度偏差であり、Ｃは
温度調節器７の伝達関数、Ｐはピー５２発熱批の指示値
、Ｉ（はヒータの伝達関数でありＱはヒータ発熱）（で
ある。またＧはヒータ発熱ｆｆ１Ｑとモニタ温度′１鴻
に関する温度測定用プローブ６の伝達関数であり、さｒ
）に１は該ヒータ部のウェハ温度ＴｖとＱに関する伝達
関数である。

ヒータの相１ｆ干渉及び時定数の違いに基づく熱的応答
の遅れの影響を考慮に大匙だブロック線図の一例を第】
−ＯＺに示す。図ではヒータＢがヒータＡに及ぼす干渉
のみを表わし、ヒータＡがヒータＢに及ぼす干渉は省略
しである。図に示したように、ヒータＢの発熱量Ｑ２に
よりヒータＡのモニタ温度Ｔに１及びウェハ温度Ｔｗｒ
が干渉を受ける。

ここに０２＋、ＩｘｓはそれぞれＧ２とＴ町Ｉ０２とＴ
ｗｚの間の伝達関数である。さらにＪは時定数の違いに
基づく熱的応答の遅れに関する伝達関数である。第９図
と比較すれば明らかなように、他のヒータの発熱、及び
時定数の差による熱的応答の遅れの影響を考慮しない場
合にはウェハのＵ度管理に支障をきたし、ひいてはウェ
ハ上に製作される半導体素子の品質劣下につながること
が示される。

〔発明の目的〕

本発明の目的は上記の問題点を解消するために特に管軸
方向の温度分布が変化する過渡的な場合の温度制御に関
連して、ヒータ相互の熱的相互干渉を補償し、また時定
数の差に起因する熱的応答の遅れを補償することにより
、ウェハ温度をより均一化し、また均一化に要する時間
を短縮できる半導体ウェハの熱処理装置を提供すること
にある。

〔発明の概要〕

本発明装置は、特にウェハの挿入、引き出し、ランピン
グ処理等における過渡的な場合の温度制御においてヒー
タ間の熱的相互作用及び熱的応答の遅れを補償するため
に、従来行われてきた該ヒータ部に設置した温度測定用
プローブの検出温度による制御に加えて、他ヒータの発
熱量指示値、ならびにヒータ部以外に設置した温度測定
用プローブの検出温度をフィードバック信号として採用
し温度制御するものである。

〔発明の実施例〕

以下第１図及び第２図を参照して本発明の詳細な説明す
る。第１図は本発明による半導体ウェハの熱処理装置の
一実施例の要部を示す側断面図で、図中１．ｌａ、ｌｂ
、２，３．５はそれぞれ第３図と同様である。また６ａ
〜６ｄ、７ａ〜７ｄは各々第４図と同様である。さらに
８はヒータ部以外に設置された熱電対等の温度測定用プ
ローブであり、特に装置上端及び下端付近に設け、時定
数の差による熱的応答の遅れを補償するための入力信号
Ｔ　Ｉ　１　、　Ｔ　ｒ　ｘを検出するために用いる。

またＴｓｚ〜ＴＳ４は各ヒータ２ａ〜２ｄに対する設定
温度であり、ＴＭＩ〜ＴＭ４はそれぞれ温度測定用プロ
ーブ６ａ〜６ｄに基づくモニタ温度である。

またＰ１〜Ｐ４は温度調節器７ａ〜７ｄによりそれぞれ
ヒータ６ａ〜６ｄに出力されるヒータ発熱量指示値であ
り、さらにヒータ間の熱的相互干渉を補償するための信
号として、他ヒータの温度５１節器にも入力される。

第１図はヒータ個数が４個の場合を示したが、ヒータが
３個あるいは５個以上であっても同様である。また図中
発熱量指示値は隣り合うヒータの温度調節器にのみ入力
されるとしているが、他の任意の温度調節器に対する入
力信号として用いてもよい。また同様にプローブ８から
の検出温度Ｔａｘ、Ｔｒｚはそれぞれ温度調節器７ａ、
７ｄに入力されるようになっているが、他の任意の温度
調節器に入力してもよい。

制御のためのブロック線図の一実施例を第２＠に示す。

図中ＣＩ、　Ｃ２１Ｐｉｌｌ　Ｈｚ＋　Ｇｓ、　Ｇｘｔ
　Ｊ　＊Ｉｌｌ　Ｉ２１及びＧ２１１　Ｉ２１の伝達関
数は各々第１０図と同様である。またＴｓ＋＋　ｅｉ　
ｐＨＱｌｌＴＭｔ＋　ＴＷｔ等も第１０図と同様である
。図中伝達関数Ｅ２１はヒータＢの発熱量Ｑ２がヒータ
Ａのモニタ温度Ｔ　ｎ　ｔに与える干渉の影響を補償す
るためのもので、ヒータＢの発熱量Ｐ２を入力とし、補
正されたモニタ温度Ｔ　Ｍ　ｔ　を温得る。またＷ　２
　ｉはヒータＢの発熱量Ｑ２がヒータＡ部のウェハに与
える干渉の影響Ｉｚｔを補償するもので、ヒータＢの発
熱ｆｉｔ　Ｐ　ｚを入力とし、ヒータＡの発熱量指示値
Ｐ１の補確値ｐｔｔを得る。さらにＳは時定数の差に基
づく熱的応答の遅れを補償するためのもので、前記プロ
ーブ８による検出温度Ｔ　Ｔ　１を入力とし。

ｐＨを補正する。図中ｐＨは前記Ｗ　２　ｓ　、またＰ
１４はＳにより補償されたヒータＡに対する発熱量指示
値である。

上記実施例において、Ｆ、ｘｓ＋　Ｗ２１１　Ｓの伝達
関数の特性は、たとえば第６図及び第７図に示したよう
に、発熱量のステップ変化を与えて熱的応答を測定する
ことにより容易に得られる。したがってこれらの特性を
有する補償回路を用いれば、第２図に示したブロック線
図を有する制御系が４１成できる。上記補償回路はアナ
ログ式のもので実現できる。あるいはマイクロコンピュ
ータを用い。

Ｐ２及びＴｒｔのディジタル値を入力し、あらかじめ入
力されたプログラムに従って演算し、それぞれＴＭＩＩ
ＰＩ　を補正するための出力を得るディジタル方式であ
ってもよい。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明によれば、過渡的な温度制御を
行う場合の、ヒータ間の熱的相互干渉ならびに時定数の
差による熱的応答の遅れを補償し、処理ウェハの温度を
より均一化でき、また均一化に要する時間を短縮できる
などの効果がある。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明による半導体ウェハの熱処理装置の一実
施例の要部を示す側断面図、第２図は本発明による制御
系のブロック線図の一実施例、第３図は従来装置の側断
面図、第４図、第５図は従来装置の温度制御方式を示し
た図、第６図、第７図は縦形装置における熱的応答の実
験結果を示すグラフ、第８図は縦形装置における温度応
答の遅れを示す実験結果のグラフ、第９図は従来の温度
制御のブロック線図、第１０図はヒータによろに渉及び
熱的応答の遅れを考慮した温度制御のブロック線図であ
る。 １・・・反応管、ｌａ・・ウェハ出入口、１ｂ・・ガス
導入口、２・・・熱処理用ヒータ、３・・・半導体ウェ
ハ、４・・・断熱材５５・・蓋体、６・・・温度Ｊｌ’
ｌ定用プローブ、７・・・温度調節器、８・・・温度測
定用プローブ、ＴＳ・・・ヒータ制御用設定温度、ＴＭ
・・・モニタ温度、Ｐ・・・ヒータ発熱量指示値、Ｔ＋
・・・プローブ８による検出温度、Ｔｗ・・・ウェハ温
度、ｅ・・・温度偏差、Ｃ・・温度調節器７に関する伝
達関数、Ｈ・・ヒータに関する伝達関数、Ｑ・・・発熱
量、Ｇ・・・モニタ温度測定用プローブに関する伝達関
数、■・・・ヒータ発熱量とウェハ温度の関係を表わす
伝達関数、３）・・・時定数の差に基づく温度応答の遅
れを表わす伝達関数、Ｅｘｔ・・・０２ｇに対する補飲
用回路の伝達関数、Ｗ　２　ｔ・・・ＩＺＩに対する補
償用回路の伝達関数、Ｓ・・・Ｊに対する補償用回路の
伝達関数。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　半導体ウェハを反応管内に挿入設置して反応管周囲に
   設けた複数の熱処理用ヒータにより熱処理する装置にお
   いて、ヒータの発熱量を、該ヒータ部に設置した第１の
   温度測定用プローブによる検出温度と、他ヒータ部に設
   置した第２の温度測定用プローブによる検出温度に基づ
   いて決定される該他ヒータ部を発熱させるための発熱量
   指示値と、ヒータ部以外に設置した第３の温度測定用プ
   ローブによる検出温度により制御することを特徴とした
   半導体ウェハの熱処理装置。