JPWO2018100826A1 - 基板処理装置、半導体装置の製造方法及びプログラム - Google Patents

基板処理装置、半導体装置の製造方法及びプログラム Download PDF

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Abstract

本発明の一態様によれば、ボートに載置された状態の基板を加熱するヒータユニットと、所定の温度に維持するようヒータユニットを制御する温度制御部と、反応管に向けて供給するガスの流量を調整する制御バルブの開度を調整するバルブ制御部と、所定の昇温レートで所定の温度まで昇温させる昇温ステップ、所定の温度で基板を処理する処理ステップ、所定の温度から所定の降温レートで降温させる降温ステップを含むレシピを実行指示する制御部と、を備え、ヒータユニットによる加熱及び制御バルブから供給されるガスによる冷却を並行させて所定の昇温レート及び所定の降温レートに追従させる構成が提供される。

Description

本発明は、基板処理装置、半導体装置の製造方法及びプログラムに関する。
基板処理装置の一例として、半導体製造装置があり、さらに半導体製造装置の一例として、縦型装置があることが知られている。縦型装置では、複数の基板（以下、ウエハともいう）を多段に保持する基板保持部としてのボートを、基板を保持した状態で反応管内の処理室に搬入し、複数のゾーンで温度制御しつつ基板を所定の温度で処理することが行われている。これまで、従来ヒータの温度制御では降温時にヒータオフとしていたが、近年、基板処理後の降温特性を積極的に向上させることが行われている。
特許文献１は、開閉弁を開閉することにより、成膜時と降温時と温度リカバリ時のそれぞれで冷却ガスの流れを変更する技術を開示する。また、特許文献２は、吹出し孔の数や配置を変えることによりヒータ各部の降温速度を設定する技術が記載されている。しかしながら、上述したクーリングユニット構成での冷却ガス流量の制御では、急速冷却中、反応管を均一に冷却することができないため、ゾーン毎の降温速度の変化が異なり、ゾーン間の温度履歴に差を生じてしまうという問題があった。
一方、近年、生産性向上のため可能な限り昇温レートを大きくする要求がある。このためゾーン毎の昇温速度の変化が異なり、ゾーン間の温度履歴に差が生じてしまう問題も発生している。
特開２０１４−２０９５６９号公報 国際特開２００８／０９９４４９号公報
本発明の目的は、ゾーン間の温度偏差を改善する構成を提供することにある。
本発明の一態様によれば、ボートに載置された状態の基板を加熱するヒータユニットと、所定の温度に維持するようヒータユニットを制御する温度制御部と、反応管に向けて供給するガスの流量を調整する制御バルブの開度を調整するバルブ制御部と、所定の昇温レートで所定の温度まで昇温させる昇温ステップ、所定の温度で基板を処理する処理ステップ、所定の温度から所定の降温レートで降温させる降温ステップを含むレシピを実行指示する制御部と、を備え、ヒータユニットによる加熱及び制御バルブから供給されるガスによる冷却を並行させて所定の昇温レート及び所定の降温レートに追従させる構成が提供される。
本発明に係る技術によれば、ゾーン間での温度偏差を改善することができ、基板の温度安定性を向上させることができる。
本発明の一実施形態に係る基板処理装置を示す一部切断正面図である。 本発明の一実施形態に係る基板処理装置の正面断面図である。 本発明の実施形態に係る成膜処理のうち温度に関する処理の一例を示すフローチャートを示す図である。 図３に示したフローチャートにおける炉内の温度変化を示す図である。 本発明の一実施形態に係る基板処理装置の主要部を示す図である。 本発明の実施形態に係る基板処理装置におけるコンピュータのハードウェア構成を示す図である。 本発明の実施形態に係るクーリングユニットにおいて制御バルブと冷却能力の関係を説明する図である。 本発明の第２実施形態に係る基板処理装置におけるバルブ制御部と制御バルブの関係を模式的に示す図である。 本発明の第２実施形態に係る基板処理装置におけるバルブ制御部と制御バルブの関係を模式的に示す図である。 本発明の実施形態に係る基板処理装置におけるバルブ制御部で用いられるＰＤ演算器を示す図である。 本発明の実施形態に係る基板処理装置における温度制御部で用いられるＰＩＤ演算器を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る基板処理装置における温度制御部とバルブ制御部及び制御バルブの関係を模式的に示す図である。 本発明の第４実施形態に係る基板処理装置における温度制御部とバルブ制御部及び制御バルブの関係を模式的に示す図である。 本発明の実施例１において、第３実施形態をステップＳ３に適用した図示例である。 図１２のＡを拡大した図である。 本発明の実施例１において、第３実施形態をステップＳ５に適用した図示例である。 本発明の実施例２において、第１実施形態及び第２実施形態をステップＳ５に適用した図示例である。 本発明の実施例１において、第３実施形態をステップＳ２に適用した図示例である。
以下、本発明の一実施の形態を図面に即して説明する。
本実施の形態において、図１及び図２に示されているように、本発明に係る基板処理装置１０は、半導体装置の製造方法における成膜工程を実施する処理装置１０として構成されている。
図１に示された基板処理装置１０は、支持された縦形の反応管としてのプロセスチューブ１１を備えており、プロセスチューブ１１は互いに同心円に配置されたアウタチューブ１２とインナチューブ１３とから構成されている。アウタチューブ１２は石英（ＳｉＯ２）が使用されて、上端が閉塞し下端が開口した円筒形状に一体成形されている。インナチューブ１３は上下両端が開口した円筒形状に形成されている。インナチューブ１３の筒中空部は後記するボートが搬入される処理室１４を形成しており、インナチューブ１３の下端開口はボートを出し入れするための炉口１５を構成している。後述するように、ボート３１は複数枚のウエハを長く整列した状態で保持するように構成されている。したがって、インナチューブ１３の内径は取り扱うウエハ１の最大外径（例えば、直径３００ｍｍ）よりも大きくなるように設定されている。
アウタチューブ１２とインナチューブ１３との間の下端部は、略円筒形状に構築されたマニホールド１６によって気密封止されている。アウタチューブ１２およびインナチューブ１３の交換等のために、マニホールド１６はアウタチューブ１２およびインナチューブ１３にそれぞれ着脱自在に取り付けられている。マニホールド１６がＣＶＤ装置の筐体２に支持されることによって、プロセスチューブ１１は垂直に据え付けられた状態になっている。以後、図では反応管１１としてアウタチューブ１２のみを示す場合もある。
アウタチューブ１２とインナチューブ１３との隙間によって排気路１７が、横断面形状が一定幅の円形リング形状に構成されている。図１に示されているように、マニホールド１６の側壁の上部には排気管１８の一端が接続されており、排気管１８は排気路１７の最下端部に通じた状態になっている。排気管１８の他端には圧力コントローラ２１によって制御される排気装置１９が接続されており、排気管１８の途中には圧力センサ２０が接続されている。圧力コントローラ２１は圧力センサ２０からの測定結果に基づいて排気装置１９をフィードバック制御するように構成されている。
マニホールド１６の下方にはガス導入管２２がインナチューブ１３の炉口１５に通じるように配設されており、ガス導入管２２には原料ガス供給装置および不活性ガス供給装置（以下、ガス供給装置という。）２３が接続されている。ガス供給装置２３はガス流量コントローラ２４によって制御されるように構成されている。ガス導入管２２から炉口１５に導入されたガスは、インナチューブ１３の処理室１４内を流通して排気路１７を通って排気管１８によって排気される。
マニホールド１６には下端開口を閉塞するシールキャップ２５が垂直方向下側から接するようになっている。シールキャップ２５はマニホールド１６の外径と略等しい円盤形状に構築されており、筐体２の待機室３に設備されたボートエレベータ２６によって垂直方向に昇降されるように構成されている。ボートエレベータ２６はモータ駆動の送りねじ軸装置およびベローズ等によって構成されており、ボートエレベータ２６のモータ２７は駆動コントローラ２８によって制御されるように構成されている。シールキャップ２５の中心線上には回転軸３０が配置されて回転自在に支持されており、回転軸３０は駆動コントローラ２８によって制御されるモータとしての回転機構２９により回転駆動されるように構成されている。回転軸３０の上端にはボート３１が垂直に支持されている。
ボート３１は上下で一対の端板３２、３３と、これらの間に垂直に架設された三本の保持部材３４とを備えており、三本の保持部材３４には多数の保持溝３５が長手方向に等間隔に刻まれている。三本の保持部材３４において同一の段に刻まれた保持溝３５同士は、互いに対向して開口するようになっている。ボート３１は三本の保持部材３４の同一段の保持溝３５間にウエハ１を挿入されることにより、複数枚のウエハ１を水平にかつ互いに中心を揃えた状態に整列させて保持するようになっている。ボート３１と回転軸３０との間には断熱キャップ部３６が配置されている。回転軸３０はボート３１をシールキャップ２５の上面から持ち上げた状態に支持することにより、ボート３１の下端を炉口１５の位置から適当な距離だけ離すように構成されている。断熱キャップ部３６は炉口１５の近傍を断熱するようになっている。
反応管１１の外側には、縦置きの加熱装置としてのヒータユニット４０が同心円に配置されて、筐体２に支持された状態で設置されている。ヒータユニット４０はケース４１を備えている。ケース４１はステンレス鋼（ＳＵＳ）が使用されて上端閉塞で下端開口の筒形状、好ましくは円筒形状に形成されている。ケース４１の内径および全長はアウタチューブ１２の外径および全長よりも大きく設定されている。また、本実施の形態では、複数の制御ゾーンとして、ヒータユニット４０の上端側が下端側にかけて、七つの制御ゾーンＵ１、Ｕ２、ＣＵ、Ｃ、ＣＬ、Ｌ１、Ｌ２に分割されている。
ケース４１内には本発明の一実施の形態である断熱構造体４２が設置されている。本実施の形態に係る断熱構造体４２は、筒形状好ましくは円筒形状に形成されており、その円筒体の側壁部４３が複数層構造に形成されている。すなわち、断熱構造体４２は側壁部４３のうち外側に配置された側壁外層４５と、側壁部のうち内側に配置された側壁内層４４とを備え、側壁外層４５と側壁内層４４の間には、前記側壁部４３を上下方向で複数のゾーン(領域)に隔離する仕切部１０５と、該仕切部と隣り合う仕切部の間に設けられる環状バッファ１０６と、を備える。
また、ケース４１内には、各ゾーンに逆拡散防止部としてのチェックダンパ１０４が設けられている。この逆拡散防止体１０４ａの開閉により冷却エア９０がガス導入路１０７を介してバッファ部としての環状バッファ１０６に供給されるように構成されている。図示しないガス源から冷却エア９０が供給されないときには、この逆拡散防止体１０４ａが蓋となり、内部空間７５の雰囲気が逆流しないように構成されている。この逆拡散防止体１０４ａの開く圧力をゾーンに応じて変更するよう構成してもよい。また、側壁外層４５の外周面とケース４１の内周面との間は、金属の熱膨張を吸収するようにブランケットとしての断熱布１１１が設けられている。
そして、バッファ部１０６に供給された冷却エア９０は、図２では図示しない側壁内層４４内に設けられたガス供給流路１０８を流れ、該ガス供給流路１０８を含む供給経路の一部としての開口穴１１０から冷却エア９０を内部空間７５に供給するように構成されている。
図１および図２に示されているように、断熱構造体４２の側壁部４３の上端側には天井部としての天井壁部８０が内側空間７５を閉じるように被せられている。天井壁部８０には内側空間７５の雰囲気を排気する排気経路の一部としての排気孔８１が環状に形成されており、排気孔８１の上流側端である下端は内側空間７５に通じている。排気孔８１の下流側端は排気ダクト８２に接続されている。
次に、基板処理装置１０の動作について説明する。
図１に示されているように、予め指定された枚数のウエハ１がボート３１に装填されると、ウエハ１群を保持したボート３１はシールキャップ２５がボートエレベータ２６によって上昇されることにより、インナチューブ１３の処理室１４に搬入（ボートローディング）されて行く。上限に達したシールキャップ２５はマニホールド１６に押接することにより、反応管１１の内部をシールした状態になる。ボート３１はシールキャップ２５に支持されたままの状態で処理室１４に存置される。
続いて、反応管１１の内部が排気管１８によって排気される。また、温度コントローラ６４がシーケンス制御することで側壁発熱体５６によって反応管１１の内部が、目標温度に加熱される。プロセスチューブ１１の内部の実際の上昇温度と、温度コントローラ６４のシーケンス制御の目標温度との誤差は、熱電対６５の計測結果に基づくフィードバック制御によって補正される。また、ボート３１がモータ２９によって回転される。
反応管１１の内圧および温度、ボート３１の回転が全体的に一定の安定した状態になると、反応管１１の処理室１４には原料ガスがガス供給装置２３によってガス導入管２２から導入される。ガス導入管２２によって導入された原料ガスは、インナチューブ１３の処理室１４内を流通して排気路１７を通って排気管１８によって排気される。処理室１４を流通する際に、原料ガスが所定の処理温度に加熱されたウエハ１に接触することによる熱ＣＶＤ反応により、ウエハ１に所定の膜が形成される。
所定の処理時間が経過すると、処理ガスの導入が停止された後に、窒素ガス等のパージガスが反応管１１の内部にガス導入管２２から導入される。同時に、冷却ガスとしての冷却エア９０が吸気管１０１から逆拡散防止体１０４を介してガス導入路１０７に供給される。供給された冷却エア９０は環状ダクトとしての環状バッファ１０６内で一時的に溜められ、複数個の冷却ガス供給口としての開口穴１１０から冷却ガス通路１０８を介して内側空間７５に吹出す。そして、開口穴１１０から内側空間７５に吹き出した冷却エア９０は排気孔８１および排気ダクト８２によって排気される。
以上の冷却エア９０の流れにより、ヒータユニット４０全体が強制的に冷却されるために、断熱構造体４２は反応管１１と共に大きいレート（速度）をもって急速に冷却されることになる。なお、内側空間７５は処理室１４から隔離されているために、冷却ガスとして冷却エア９０を使用することができる。しかし、冷却効果をより一層高めるためや、エア内の不純物による高温下での発熱体５６の腐蝕を防止するために、窒素ガス等の不活性ガスを冷却ガスとして使用してもよい。
処理室１４の温度が所定の温度に下降すると、シールキャップ２５に支持されたボート３１はボートエレベータ２６によって下降されることにより、処理室１４から搬出（ボートアンローディング）される。
以降、前記作用が繰り返されることにより、基板処理装置１０によってウエハ１に対する成膜処理が実施されて行く。
次に、図３及び図４を用いて基板処理装置１０で行われる処理の一例について説明する。図４に記されている符号Ｓ１〜Ｓ６は、図３の各ステップＳ１〜Ｓ６が行われることを示している。
ステップＳ１(待機ステップ)は、炉内の温度を比較的低い温度Ｔ０に安定させる処理である。ステップＳ１では、基板１８はまだ炉内に挿入されていない。
ステップＳ２(ボートロードステップ)は、ボート３１に保持された基板１を炉内へ挿入する処理である。ボート３１および基板１の温度は、この時点で炉内の温度Ｔ０より低く、且つ、ボート３１に保持された基板１を炉内へ挿入した結果、炉外の雰囲気(室温)が炉内に導入されるため、炉内の温度は一時的にＴ０より低くなるが、後述する本実施形態におけるマルチクーリングユニットを利用した温度制御により炉内の温度は若干の時間を経て再び温度Ｔ０に安定する。
ステップＳ３(昇温ステップ)は、温度Ｔ０から基板１に所定の処理を施すための目標温度Ｔ１まで、徐々に炉内の温度を上昇させる処理である。後述する本実施形態におけるクーリングユニットを利用した温度制御により、温度Ｔ０から目標温度Ｔ１まで炉内の温度を上昇させることにより、目標温度Ｔ１付近でのオーバシュートが低く抑えられる。
ステップＳ４(処理ステップ)は、基板１に所定の処理を施すために炉内の温度を目標温度Ｔ１で維持して安定させる処理である。
ステップＳ５(降温ステップ)は、処理終了後に温度Ｔ１から再び比較的低い温度Ｔ０まで徐々に炉内の温度を下降させる処理である。後述する本実施形態におけるクーリングユニットを利用した温度制御により、温度Ｔ１から温度Ｔ０まで炉内の温度を下降させることにより、ゾーン間の温度偏差を小さくすることができる。
ステップＳ６(ボートアンロードステップ)は、処理が施された基板１をボート３１と共に炉内から引き出す処理である。ボート３１に保持された処理が施された基板１を炉内から引き出した結果、炉外の雰囲気(室温)が炉内に導入されるため、炉内の温度は一時的にＴ０より低くなる。炉内の温度は若干の時間を経て再び温度Ｔ０に安定し、ステップＳ１に移行する。尚、引き続き未処理の基板１を処理する場合、後述する本実施形態におけるクーリングユニットを利用した温度制御により炉内の温度を温度Ｔ０に安定させた方が良い。
処理を施すべき未処理の基板１が残っている場合には、ボート３１上の処理済基板１が未処理の基板１と入れ替えられ、これらステップＳ１〜Ｓ６の一連の処理が繰り返される。
ステップＳ１〜Ｓ６の処理は、いずれも目標温度に対し、炉内温度が予め定められた微小温度範囲にあり、且つ予め定められた時間だけその状態が続くといった安定状態を得た後、次のステップへ進むようになっている。あるいは、最近では、一定時間での基板１の処理枚数を大きくすることを目的として、ステップＳ１，Ｓ２，Ｓ５，Ｓ６等においては安定状態を得ずして次のステップへ移行することも行われている。
図５は本実施形態におけるマルチクーリングユニットを表す図示例である。尚、アウタチューブ１２とインナチューブ１３を合わせて反応管１１と簡略化して示し、加熱装置４０に関する構成は省略されている。
図５に示すマルチクーリング構造は、複数のゾーン(Ｕ１，Ｕ２，ＣＵ，Ｃ，ＣＬ，Ｌ１，Ｌ２)毎に、炉内を冷却するガスとしての冷却エア９０を供給する吸気管１０１と、吸気管１０１に設けられ、ガスの流量を調整するコンダクタンスバルブとしての制御バルブ１０２と、反応管に向けてガスを噴出する複数の開口穴(急冷穴)１１０と、ゾーン毎に設けられた吸気管１０１と連通され、吸気管１０１から供給されたガスを一時的に溜める環状バッファ１０６と、を備えた構成となっている。各開口穴１１０は、環状バッファ１０６に溜められる冷却エア９０を側壁内層４４に設けられる冷却ガス通路１０８を介して内側空間７５に吹出すように構成されている。
各ゾーンのゾーン長の比率に応じて吸気管１０１に導入される冷却エア９０の流量を設定し、制御バルブ１０２を開閉させることにより、開口穴１１０から反応管１１に向けて噴出されるガスの流量及び流速を調整するよう構成されている。また、制御バルブ１０２は、反応管１０１内の構成物に応じて図示しない温度コントローラによりバルブの開度が調整されることにより、各ゾーンに導入される冷却エアの流量及び流速を変更することができる。
また、吸気管１０１には、処理室１４からの雰囲気の逆拡散を防止する逆拡散防止体(チェックダンパ)１０４が設けられている。この逆拡散防止体１０４は、内側空間７５の上側に排気口８１から排気されるため、環状バッファ１０６に冷却エア９０を効率よく溜めるように各ゾーンに設けられた環状バッファ１０６の下側に連通されるように構成されている。急冷未使用時は、吸気管１０１と断熱構造体４２との間の対流を防止している。
また、吸気管１０１には、開口穴１１０から噴出する冷却エア９０の流量を抑制するオリフィスとしての絞り部１０３が設けられるよう構成されている。但し、この絞り部１０３は、必要に応じてゾーン毎に設けられる。
ゾーン毎に設けられる吸気管１０１の流路断面積及び環状バッファ１０６の流路断面積は、ゾーン毎に設けられる開口穴１１０の断面積の合計より大きく構成される。また、ボート３１に載置される製品ウエハがある領域ＡＲの最上段と略同じ高さから製品ウエハがある領域ＡＲの最下段までの各ゾーン(例えば、図５では、Ｕ２，ＣＵ，Ｃ，ＣＬ，Ｌ１)に吹出される冷却エア９０の流量及び流速が均等になるように開口穴１１０が設けられている。具体的には、開口穴１１０は、ゾーン内で周方向及び上下方向に同じ間隔で設けられ、環状バッファ１０６に溜められる冷却エア９０を側壁内層４４に設けられる冷却ガス通路１０８を介して内側空間７５に吹出すように構成されている。
複数の制御ゾーン(本実施形態では、Ｕ１，Ｕ２，ＣＵ，Ｃ，ＣＬ，Ｌ１，Ｌ２)を有する加熱装置４０に使用される断熱構造体４２は、円筒形状に形成された側壁部４３を有し、該側壁部４３が複数層構造に形成されており、側壁部４３を上下方向で複数の冷却ゾーン(Ｕ１，Ｕ２，ＣＵ，Ｃ，ＣＬ，Ｌ１，Ｌ２)に隔離する仕切部１０５と、側壁内層４４と側壁外層４５の間の円筒状の空間であって、上下方向で隣り合う仕切部１０５間の空間で構成された環状バッファ１０６と、冷却ゾーン毎に側壁部４３の複数層のうちの外側に配置された側壁外層４５に設けられ、環状バッファ１０６と連通するガス導入路１０７と、ゾーン毎に側壁部４３の複数層のうちの内側に配置された側壁内層４４に設けられ、環状バッファ１０６と連通する冷却ガス通路１０８と、側壁内層４４の内側に設けられる空間７５と、冷却ゾーン毎に冷却ガス通路１０８から空間７５へ冷却エア９０を吹出すように、側壁内層４４の周方向及び上下方向に同じ間隔で設けられる開口穴１１０と、を備えた構成である。
ガス導入路１０７は、環状バッファ１０６の下側に連通されるように形成され、開口穴１１０は、ガス導入路１０７と対向する位置を避けるように設けられる。また、開口穴１１０から吹出された冷却エア９０がここでは図示しない発熱体５６を避けるように配置されているのは言うまでもない。
また、本実施形態では、制御ゾーンの数と冷却ゾーンの数が一致するように仕切部１０５が配置されるよう構成されている。この形態に限定されることなく制御ゾーンの数と冷却ゾーンの数が任意に設定される。
図５に示すように、Ｕ１ゾーンとＬ２ゾーンに対向するプロセスチューブ１１内の構造物は、Ｕ１ゾーンは空間(天井空間部)であり、断熱キャップ部３６を含む断熱領域であり、領域ＡＲと異なるため、実際には、Ｕ１ゾーンとＬ２ゾーンに対向する反応管１１の冷却が均等でない可能性がある。但し、Ｕ１ゾーンとＵ２ゾーンの境目及びＬ１ゾーンとＬ２ゾーンの境目に対応する反応管１１内には、いわゆるサイドダミーウエハと呼ばれる温度調整の為に用いられるダミーウエハがボート３１に載置されている。よって、反応管１１の冷却の不均一における製品となるウエハ１８への温度に及ぼす影響を低減することができる。
図６に示すように、制御部としての制御用コンピュータ２００は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｅｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）２０１およびメモリ２０２などを含むコンピュータ本体２０３と、通信部としての通信ＩＦ（Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）２０４と、記憶部としての記憶装置２０５と、操作部としての表示・入力装置２０６とを有する。つまり、制御用コンピュータ２００は一般的なコンピュータとしての構成部分を含んでいる。
ＣＰＵ２０１は、操作部の中枢を構成し、記憶装置２０５に記憶された制御プログラムを実行し、操作部２０６からの指示に従って、記憶装置２０５に記録されているレシピ（例えば、プロセス用レシピ）を実行する。
また、ＣＰＵ２０１の動作プログラム等を記憶する記録媒体２０７として、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ハードディスク等が用いられる。ここで、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）は、ＣＰＵのワークエリアなどとして機能する。
通信部２０４は、圧力コントローラ２１、ガス流量コントローラ２４、駆動コントローラ２８、温度コントローラ６４(これらをまとめてサブコントローラということもある)と電気的に接続され、各部品の動作に関するデータをやり取りすることができる。また、後述するバルブ制御部３００とも電気的に接続され、マルチクーリングユニットを制御するためのデータのやり取りをすることができる。
本発明の実施形態において、制御用コンピュータ２００を例に挙げて説明したが、これに限らず、通常のコンピュータシステムを用いて実現可能である。例えば、汎用コンピュータに、上述の処理を実行するためのプログラムを格納したＣＤＲＯＭ、ＵＳＢ等の記録媒体２０７から当該プログラムをインストールすることにより、上述の処理を実行することもできる。また、通信回線、通信ネットワーク、通信システム等の通信ＩＦ２０４を用いてもよい。この場合、例えば、通信ネットワークの掲示板に当該プログラムを掲示し、これをネットワークを介して搬送波に重畳して提供してもよい。そして、このように提供されたプログラムを起動し、ＯＳ（Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）の制御下で、他のアプリケーションプログラムと同様に実行することにより、上述の処理を実行することができる。
本実施形態におけるクーリングユニットの構造は、特にゾーンに制御バルブ１０２を設け、急冷時における顧客工場施設排気の変動あるいは部品単体のバラツキ、装置への設置具合によって生じる装置間機差を低減させる構成となっている。更に、制御バルブ１０２の開度により供給される流量などを調整することにより冷却能力を調整することができる。例えば、図７に示すように、制御バルブ１０２の開度と冷却能力の関係が予め求められており、開度５０％で冷却能力８７％ということが分かっている。尚、図７の横軸が冷却能力(単位％)で、縦軸が制御バルブ１０２の開度(単位％)である。
降温ステップでは、開度１００％(冷却能力１００％)とすることが多いが、例えば、ステップＳ５の降温ステップで設定されたレートに沿って降温する場合、または、図３におけるステップＳ３の昇温ステップとステップＳ４の成膜ステップとの間に必ず発生するオーバシュートを安定化させる場合等、従来の温度制御に加えて制御バルブ１０２の開度による冷却能力の制御が必要となる。
以下、本実施形態におけるクーリングユニットを用いた温度制御に関して説明する。つまり、本実施形態における温度制御とバルブ開度制御について説明する。尚、本実施形態におけるクーリングユニットを用いた第１の制御方式のことを第１実施形態と称する。
（第１実施形態） 各ゾーン導入される排気風量と降温レートの相関図を予め実測しておき、導き出された関係式により、導入される冷却エア９０の風量を設定する。制御バルブ１０２の開度を固定することでゾーン毎に予め一定の流量を供給し、ある設定された目的とする降温レートを得ることができる。安価で且つ単純な方法で降温レートを得ることができるが、装置構成及び装置環境(例えば、装置間機差が発生しやすい、または部品によるバラツキ、工場の排気設備)に大きく影響を受ける為、装置信頼性が低い。
また、第１実施形態における冷却エア９０の排気風量を固定する方法は、排気風量と降温レートの相関を実際に測定する為、堅実ではあるが時間と手間がかかり、結局、基板処理装置１０の立上げが大幅に遅れてしまう可能性が高い。
（第２実施形態） 図８には、説明のため制御バルブ１０２を一つしか表示していないが、他のゾーンについても同様な制御バルブ１０２が設けられており、それぞれのゾーンで異なる開度にすることができる。また、導入される冷却ガスもゾーン毎に供給される。また、本実施例における制御は、図３に示す降温ステップＳ５の時に行われる制御である。
本実施形態におけるヒータユニット４０は、降温ステップＳ５において、ヒータパワーが常時０％であるため、ヒータパワー算出方法については記載を省略する。ここでは、制御バルブ１０２の開度を算出する制御について記載する。本実施形態における制御バルブ１０２の開度を算出する制御は、基準ゾーンと基準ゾーン以外で異なる。
図８Ａを用いて最初に基準ゾーンの制御バルブ１０２の制御について記述する。図８Ａに示す基準設定値算出器３０１は、制御部２００で設定される前回設定値と、今回設定値、及び基準ランプレートから基準設定値を算出する。基準設定値を算出する式は以下となる。(１)ランピング温度偏差 ＝ 今回設定値 − 前回設定値(２)ランピング時間 ＝ ランピング温度偏差 / 基準ランプレート(３)基準設定値 ＝ 前回設定値 ＋ (ランピング温度偏差) × [ 1- ｅｘｐ{ 経過時間 /(ランピング時間/時定数) } ]
減算器３０２は、上式で求められた基準設定値Ｂｓと基準ゾーンに設定された基準ゾーンの熱電対６６の温度Ｂａを減算した結果を偏差Ｂｄとして算出し、制御バルブ算出用ＰＤ演算器３０３へ出力するものである。
制御バルブ算出用ＰＤ演算器について図９Ａに基づいて説明する。制御バルブＰＤ演算器は、加算器３１１と比例演算３１２と微分演算３１３とから構成される。比例演算器４２は偏差Ｉを入力し、予め設定されているパラメータＫｐを乗じた（Ｐ演算）値を比例値Оとして出力するものである。ある特定時間ｔにおける偏差ＩをＩ(ｔ)、そのときの比例値ОをО(ｔ)で表すと、比例値Оは次式に従って求められる。
微分演算器４３は、偏差Ｉを入力し、偏差Ｉを時間微分演算（Ｄ演算）した結果に予め設定されているパラメータＫｄを乗じた値を微分値Ｒとして出力するものである。ある特定の時間ｔにおける偏差ＩをＩ(ｔ)、そのときの微分値ＲをＲ(ｔ)で表すとすると、微分値Ｒは次式に従って求められる。
加算器５１は比例値Оと微分値Ｒを入力し、それらの総和を算出し操作量Ｍを出力するものである。ある特定の時間tにおける偏差ＩをＩ(ｔ)、そのときの操作量ＭをＭ(ｔ)で表すとすると、前述した（１）式、（２）式から制御バルブ１０２の操作量Ｍは次式に従って求められる。
図８Ａに示す制御部２００からバルブ制御部３００へ前回設定値、今回設定値、基準ランプレートが入力され基準設定値算出器３０１で基準設定値Ｂｓが算出され、加えて基準ゾーンの熱電対温度Ｂａが入力され、バルブ制御３００内の減算器３０２では基準ゾーンの熱電対温度Ｂａから基準設定値Ｂｓを減算した偏差Ｂｄが出力され、制御バルブ用ＰＤ演算器３０３では、偏差Ｂｄを用いてＰＤ演算され、操作量Ｘが決定される。この操作量Ｘは開度変換器３０４によって開度Ｘ’に変換され、制御バルブ１０２の開度が変更される。そして基準ゾーンの熱電対６６から読み取った温度Ｂａは再びバルブ制御３００に帰還される。このように基準ゾーンの熱電対温度Ｂａを、基準設定値Ｂｓとの偏差Ｂｄが零になるように制御バルブ１０２の開度を時々刻々と変化させている。
次に、図８Ｂを用いて基準ゾーン以外の制御バルブ１０２について説明する。図８Ｂに示すように減算器３０２は基準ゾーン以外の温度Ｔａから基準ゾーンの熱電対温度Ｂａを減算した結果を偏差Ｔｄとして算出し、制御バルブ算出用ＰＤ演算器３０３へ出力するものである。ＰＤ演算器については上述した通りであり、内容は同じであるため説明は省略する。
図８Ｂに示すように、まず、基準ゾーンの熱電対温度Ｂａが入力され、加えて基準ゾーン以外の熱電対温度Ｔａが入力され、バルブ制御部３００内の減算器３０２では、基準ゾーン以外の温度Ｔａから基準ゾーンの熱電対温度Ｂａを減算した偏差Ｔｄが出力され、制御バルブ用ＰＤ演算器３０３では、偏差Ｔｄを用いてＰＤ演算され、操作量Ｘが決定される。この操作量Ｘは、開度変換器３０４によって開度Ｘ’に変換され、制御バルブ１０２の開度が変更される。そして、基準ゾーンの熱電対６６及び基準ゾーン以外の熱電対６５から読み取った温度Ｂａ及び温度Ｔａは再びバルブ制御部３００に帰還される。このように基準ゾーン以外の熱電対温度を、基準ゾーンの熱電対温度Ｂａとの偏差Ｔｄが零になるように、制御バルブ１０２の開度を時々刻々と変化させている。
第２実施形態によれば、以下の効果のうち少なくとも一つ以上の効果が期待できる。
（ａ)基準ゾーン以外の温度は目標値としてあるゾーン、基準ゾーンと温度偏差を零になるよう制御バルブ１０２の開度を制御することで、ゾーン間偏差の低減が可能となる。（ｂ）基準ゾーンは前述の設定値から算出される基準設定値との偏差が零になるように制御バルブ１０２を制御することで、工場施設の排気能力の変動等で複数装置間の機差、あるいは経時変化が発生した場合でも、常に一定の基準設定値を設けることで、基準ゾーン温度の再現性を向上させることができる。（ｃ）全ゾーンを基準設定値との偏差が零になるように制御バルブ１０２を制御することも考えられるが、例えば、ある一つのゾーンが基準設定値に追従できない場合、ゾーン間偏差が悪化してしまう可能性がある。従い、本実施形態のように基準ゾーンのみ基準設定値に追従するよう制御することで、仮に基準ゾーンの温度が基準設定値に追従できない場合でも基準ゾーン以外は基準ゾーン温度に対して零になるよう制御する為、ゾーン間の偏差が悪化する事を回避できる。
（第３実施形態） 図１０には、説明のため制御バルブ１０２を一つしか表示していないが、本実施例における制御を他のゾーンについても実施しており、また、それぞれのゾーンで異なる開度にすることができる。また、導入される冷却ガス(冷却エア)９０もゾーン毎に供給される。
ヒータパワーを算出する演算は従来通りに実施している。つまり、減算器２１は上位コントローラで設定される設定値Ｓと制御量Ａを減算した結果を偏差Ｄとして算出し、ＰＩＤ演算器２２へ出力するものである。
ここで、ＰＩＤ演算器について図９Ｂに基づいて説明する。ＰＩＤ演算器は、加算器３３１と積分演算３３２と比例演算３３３と微分演算３３４とから構成される。積分演算３３２は偏差Ｉを入力し、偏差Ｉを時間積分演算（Ｉ演算）した結果に予め設定されているパラメータＫｉを乗じた値を積分値Ｎとして出力するものである。ある特定の時間ｔにおける偏差ＩをＩ(ｔ)、そのときの積分値ＮをＮ(ｔ)で表すとすると、積分値Ｎは次式に従って求められる。
比例演算器３３３は偏差Ｉを入力し、予め設定されているパラメータＫpを乗じた（Ｐ演算）値を比例値Оとして出力するものである。ある特定時間ｔにおける偏差ＩをＩ(ｔ)、そのときの比例値ОをО(ｔ)で表すと、比例値Оは次式に従って求められる。
微分演算器３３４は、偏差Ｉを入力し、偏差Ｉを時間微分演算（Ｄ演算）した結果に予め設定されているパラメータＫｄを乗じた値を微分値Ｒとして出力するものである。ある特定の時間tにおける偏差ＩをＩ(ｔ)、そのときの微分値ＲをＲ(ｔ)で表すとすると、微分値Ｒは次式に従って求められる。
加算器３３１は積分値Ｎと比例値Оと微分値Ｒを入力し、それらの総和を算出し操作量Ｍを出力するものである。ある特定の時間ｔにおける偏差ＩをＩ(ｔ)、そのときの操作量ＭをＭ(ｔ)で表すとすると、前述した（４）式、（５）式、（６）式から操作量Ｍは次式に従って求められ、これをＰＩＤ演算と呼ぶ。
図１０で示すように、まず、制御部２００から温度制御部６４へ目標値Ｓが入力され、加えてカスケード熱電対６５からの制御量Ａが入力され、温度制御部６４内の減算器３２１では目標値Ｓから制御量Ａを減算した偏差Ｄが出力され、ＰＩＤ演算器３２２では、偏差Ｄを用いてＰＩＤ演算され、操作量Ｘが決定される。この操作量Ｘは図示しない変換器により目標値Ｗに変換され、この目標値Ｗとヒータ熱電対からの制御量Ｂが減算器３２３に入力され、減算器３２３では目標値Ｗから制御量Ｂを減算した偏差Ｅが出力され、ＰＩＤ演算器３２４では偏差Ｅを用いてＰＩＤ演算され、温度制御部６４の出力として操作量Ｚが出力され、ヒータユニット４０に入力される。そしてヒータユニット４０から出力された制御量Ａ、Ｂは再び温度制御部６４に帰還される。このように温度制御部６４から出力される操作量Ｚを、目標値Ｓと制御量Ａとの偏差Ｄが零になるように時々刻々と変化させている。このような制御方式をＰＩＤ制御と呼ぶ。
制御バルブ１０２の開度を算出する制御について記載する。減算器３０２は制御部２００で設定されるＰＯＷＥＲ設定値Ｚｓと温度制御部６４において算出される操作量Ｚを減算した結果を偏差Ｚｄとして算出し、制御バルブ算出用ＰＤ演算器３０３へ出力するものである。
図１０で示すように、まず、制御部２００からバルブ制御部３００へＰｏｗｅｒ目標値Ｚｓが入力され、加えてヒータパワー操作量Ｚが入力され、バルブ制御部３００内の減算器３０２ではＰｏｗｅｒ目標値Ｚｓからヒータパワー操作量Ｚを減算した偏差Ｚｄが出力され、制御バルブ用ＰＤ演算器３０３では、偏差Ｚｄを用いてＰＤ演算され、操作量Ｘが決定される。この操作量Ｘは開度変換器３０４によって開度Ｘ’に変換され、制御バルブ１０２の開度が変更される。
そしてヒータユニット４０から出力されたヒータパワー操作量Ｚは再びバルブ制御部３００に帰還される。このように温度制御部６４から出力されるヒータパワー操作量Ｚを、ヒータパワー目標値Ｚｓとの偏差Ｚｄが零になるように制御バルブ１０２の開度を時々刻々と変化させている。
第３実施形態によれば、以下の効果のうち少なくとも一つ以上の効果が期待できる。
（ｄ)ゾーン毎の冷却能力を偏差させる手段として開度を調整できるコンダクタンスバルブをゾーン毎に設置し、コンダクタンスバルブを処理室の状況に応じて可変させる事で、ゾーン毎に冷却能力を変化させることによって、ゾーン間温度偏差の改善を実現する。（ｅ)顧客工場施設排気の変動あるいは部品単体のバラツキ、装置への設置具合によって生じる装置間機差をコンダクタンスバルブの制御により吸収し、低減することができる。（ｆ)空冷による急冷時における反応管内の構造によるゾーン毎の降温速度の差から生じるヒータパワーの過剰出力をコンダクタンスバルブの制御により冷却能力を変化させることで低減することができ、省エネ効果が期待できる。（ｇ)温度リカバリ時、温度安定時においてゾーン毎の空冷により過剰熱量による温度オーバシュートを迅速に解消することができる。（ｈ)温度リカバリ時の温度安定時間の短縮により、温度安定性向上が期待できる。
(第４実施形態) ヒータパワーを算出する演算は従来通りに実施している。減算器３２１は制御部２００で設定される偏差目標値Ｄｓと前述の温度制御部６４において算出される偏差Ｄを減算した結果を偏差Ｄｄとして算出し、制御バルブ算出用ＰＤ演算器３０３へ出力するものである。尚、ＰＤ演算器３０３の動作説明は既に上述したので省略する。
図１１で示すように、まず、制御部２００からバルブ制御部３００へ偏差目標値Ｄｓが入力され、加えて偏差Ｄが入力され、バルブ制御部３００内の減算器３０２では偏差Ｄから偏差目標値Ｄｓを減算した偏差Ｄｄが出力され、制御バルブ用ＰＤ演算器３０３では、偏差Ｄｄを用いてＰＤ演算され、操作量Ｘが決定される。この操作量Ｘは開度変換器３０４によって開度Ｘ’に変換され、制御バルブ１０２の開度が変更される。
そして温度制御部６４で算出される偏差Ｄは再びバルブ制御部３００に帰還される。このように温度制御部６４で差出される偏差Ｄと、偏差目標値Ｄｓとの偏差Ｄｄが零になるように制御バルブ１０２の開度を時々刻々と変化させている。
第４実施形態は、実質的に第３実施形態と同様の制御を行っているので、第３実施形態と同様の効果(上述した(ｄ)乃至(ｈ)のうち少なくとも一つ以上の効果)を奏する。但し、実施例４の場合、偏差Ｄ(例えば、オーバシュート)が発生しないと制御バルブ１０２の開度を開いて冷却しないため、操作量Ｚをトリガにして制御バルブ１０２の開度を調整する実施例３が好ましい。
次に第１実施形態乃至第４実施形態を図３に示すフローチャートに適用した例を以下に示す。
（実施例１） 昇温ステップＳ３に第３実施形態、降温ステップＳ５に第３実施形態を使用する。また、昇温ステップＳ３と降温ステップＳ５のうち少なくともどちらか一つのステップを第４実施形態に変えてもよい。
昇温ステップＳ３では、温度制御部６４は、従来のＰＩＤ制御により、熱電対６５が目標温度Ｔ１となるように操作量Ｚを制御するよう構成されている。そして、この操作量Ｚと制御部２００からの設定操作量Ｚｓとの偏差Ｚｄがゼロとなるようにバルブ制御部３００がＰＤ制御するよう構成されている。これにより、制御バルブ１０２の開度を調整され、冷却能力が制御される。ここで、Ｉ動作(積分動作)を無くすと通常オフセットが発生し、設定値との偏差が一定の値となったまま一致しないことがある一方、Ｉ動作により設定値と一致するが遅れ時間が発生する。本実施形態(第３実施形態及び第４実施形態)によれば、従来のヒータユニット４０によるヒータ制御でＩ動作を含むＰＩＤ演算によりパワー値(操作量Ｚ)は制御しているため、マルチクーリングユニットでの制御ではＩ動作は省略している。
このとき、パワー値が目標パワー値以下の状態は、昇温能力(パワー値)が冷却能力(制御バルブ１０２開度)よりも大きい状態となっており、バルブ制御３００は、冷却能力不足と判断して、制御バルブ１０２の開度を大きくして冷却能力を強くし、パワー出力を大きくする方向に制御するよう構成されている。逆に、パワー値が目標パワー値以上の状態は、昇温能力(パワー値)が冷却能力(制御バルブ１０２開度)より小さい状態となっており、バルブ制御３００は、冷却能力過剰と判断して、制御バルブ１０２の開度を小さくして冷却能力を弱くし、パワー出力を小さくする方向に制御するよう構成されている。
ここで、近年、生産性向上のため可能な限り昇温レートを大きくする要求が高まってきている。単純にヒータユニット４０のパワーを大きくすると昇温レートは維持できるが、昇温レートが大きくなるとオーバシュートの振幅も大きくなり、従来のヒータユニット４０のみの制御では、これを収束させるのに時間がかかる。従い、目標とする温度にある程度収束すると次のステップに進んでいる。
本実施例によれば、昇温レートが大きい場合でも昇温中にクーリングユニットによる冷却を行っている。例えば、温度が昇温レートから上側にずれると、パワー値(操作量Ｚ)は小さくなり、パワー値が目標パワー値以下の状態となるため、バルブ制御３００は、制御バルブ１０２の開度を大きくして冷却能力を強くし、反対に、温度が昇温レートから下側にずれると、操作量Ｚは大きくなり、パワー値が目標パワー値以上の状態となるため、バルブ制御部３００は、制御バルブ１０２の開度を小さくして冷却能力を弱める。このように、ヒータユニット４０による加熱とクーリングユニットによる冷却を並行することにより、昇温レートに追従させているため、昇温レートが大きくてもオーバシュートの抑制が可能である。よって、昇温ステップＳ３から成膜ステップＳ４への移行時の温度リカバリ時間や温度安定性を向上させることができる。
そして、昇温ステップＳ３と成膜ステップＳ４の境界において、オーバシュートが発生すると、パワー値(操作量Ｚ)は小さくなり、パワー値が目標パワー値以下の状態となるため、バルブ制御３００は、制御バルブ１０２の開度を大きくして冷却能力を強くするので、従来のヒータ制御と比較して目標温度Ｔ１に近づけることができる。反対に、目標温度Ｔ１以下になると、反対にパワー値(操作量Ｚ)が大きくなるため、バルブ制御部３００は、制御バルブ１０２の開度を小さくするので、目標温度Ｔ１に近づけることができる。このような動作が繰り返され目標温度Ｔ１に収束される。
この制御バルブ３００の制御(クーリングユニットによるアシスト)により温度リカバリの時間が短縮される。また、これまでのヒータユニット４０の温度制御のみの場合と比較して、昇温ステップＳ３から成膜ステップＳ４への移行時の温度安定化を各段に向上させることができる。
そして成膜ステップＳ４で基板１に所定の処理が施された後、また、降温ステップＳ５で、目標温度Ｔ０に降温される。
降温ステップＳ５で、昇温ステップＳ３と同様に、温度制御部６４は、従来のＰＩＤ制御により、熱電対６５が目標温度Ｔ０となるように操作量Ｚを制御するよう構成されている。そして、この操作量Ｚと制御部２００からの設定操作量Ｚｓとの偏差Ｚｄがゼロとなるようにバルブ制御部３００がＰＤ制御するよう構成されている。これにより、制御バルブ１０２の開度を調整され、冷却能力が制御される。
降温ステップＳ５では、温度Ｔ１から温度Ｔ０まで低下させるため操作量Ｚは小さく設定される。これにより、バルブ制御部３００は、制御バルブ１０２の開度を大きくして冷却能力を強くする。一方、冷却能力を大きくし過ぎて、温度が降温レートより下側になると、操作量Ｚは大きく設定される。そうすると、バルブ制御部３００は、制御バルブ１０２の開度を小さくして冷却能力を弱める。このようなヒータユニット４０による加熱とバルブ制御部３００による冷却を繰返しつつ予め設定された降温レートに追従することができる。このように、バルブ制御部３００の制御(クーリングユニットによるアシスト)により、これまでのヒータ制御のみの場合と比較して、格段に降温時のゾーン間温度偏差の改善、省エネが期待できる。
尚、第３実施形態に変えて第４実施形態であっても、パワー値(操作量Ｚ)が偏差Ｄｄに変更するだけで同様であるので説明は省略する。
（実施例２）昇温ステップＳ３に第３実施形態、降温ステップＳ５に第２実施形態を使用する。また、昇温ステップＳ３を第４実施形態に変えてもよく、また、降温ステップＳ５を第１実施形態に変えてもよい。このように第１実施形態乃至第４実施形態の組合せは任意に設定できる。
昇温ステップＳ３については実施例１と同様であるので説明は省略する。そしてステップＳ４で基板１に所定の処理が施された後、降温ステップＳ５で、温度Ｔ１目標温度Ｔ０に降温される。実施例２では、降温ステップＳ５でのヒータユニット４０のパワーは常に０％として、急速に降温させることによりスループット向上(生産性向上)を図っている。
降温ステップＳ５において、バルブ制御部２００は、予め設定された基準ゾーンの実測温度Ｂａに基づいて制御される。具体的には、基準ゾーンに関して、制御部２００からバルブ制御部３００へ前回設定値Ｔ１、今回設定値Ｔ０、基準ランプレートが入力され基準設定値算出器３０１で基準設定値Ｂｓが算出される。バルブ制御３００内の減算器３０２では、基準ゾーンの熱電対温度Ｂａが入力され、基準ゾーンの熱電対温度Ｂａから基準設定値Ｂｓを減算した偏差Ｂｄが出力される。制御バルブ用ＰＤ演算器３０３では、偏差Ｂｄを用いてＰＤ演算され、操作量Ｘが決定されるよう構成されている。この操作量Ｘが変換されて開度Ｘ’となり、制御バルブ１０２の開度が調整されるよう構成されている。
一方、基準ゾーン以外のゾーンに関して、バルブ制御部３００内の減算器３０２では、基準ゾーンの熱電対温度Ｂａが入力され、加えて基準ゾーン以外の熱電対温度Ｔａが入力され、基準ゾーン以外の温度Ｔａから基準ゾーンの熱電対温度Ｂａを減算した偏差Ｔｄが出力されるよう構成されている。制御バルブ用ＰＤ演算器３０３では、偏差Ｔｄを用いてＰＤ演算され、操作量Ｘが決定されるよう構成されている。この操作量Ｘが変換されて開度Ｘ’となり、制御バルブ１０２の開度が調整されるよう構成されている。
このように、基準ゾーンのみ基準設定値に追従するよう制御することで、仮に基準ゾーンの温度が基準設定値に追従できない場合でも基準ゾーン以外は基準ゾーン温度に対して零になるよう制御する為、ゾーン間の偏差が悪化する事を回避できる。
次に、図１２乃至図１５により上述の実施例について検証を行った結果について説明する。以下、温度偏差は、複数の制御ゾーンで測定された温度の最大値と最小値の差(最大値―最小値の値)を示すものとする。
先ず、図１２及び図１３は、上述した実施形態３におけるクーリングユニットを利用した温度制御による効果を昇温ステップ(ステップＳ３)に適用した図示例であり、昇温ステップ(ステップＳ３)での炉内の温度変化を比較例(クーリングユニット無し)と上述した実施形態３とで比較した時の図である。
図１２では、昇温ステップ(ステップＳ３)の開始から処理ステップ(ステップＳ４)に移行するまでの温度推移を、複数の制御ゾーンのうち、ＣＵゾーンの温度で例示している。図１２に示す横軸が時間(単位分)、縦軸が温度(単位℃)となっており、昇温ステップ(ステップＳ３)の開始時間を０分で示している。また、図１２では、昇温ステップ(ステップＳ３)から処理ステップ(ステップＳ４)に移行するまでのゾーン間の温度偏差を点線で示し、５００℃(待機温度Ｔ０)から６５０℃(目標温度Ｔ１)まで、レート１０℃/分で昇温させたときの炉内の温度変化を実線で示している。
本実施の形態によれば、昇温ステップ(ステップＳ３)の開始から１５(＝(６５０−５００)/１０)分までは、実施形態３によるクーリングユニット１００を用いた温度制御を行っているにもかかわらず、クーリングユニット１００を用いない通常の温度制御(図１２では比較例と称する)との違いが明確に示されていない。特に、炉内の温度変化は、比較例と本発明がほぼ全体的に重なっており、見分けできない。
図１３は、昇温ステップ(ステップＳ３)から処理ステップ(ステップＳ４)に移行する部分(図１２のＡ)を拡大した図である。ここで、図１３は、昇温ステップ(ステップＳ３)の開始から１５分以降の炉内の温度変化を示しているが、この１５分という時間は、加熱装置４０での加熱とクーリングユニット１００による冷却の両方を利用して温度制御を行った時間である。
図１３によれば、比較例でのオーバシュートが２℃であり、上下限値１℃内に安定する時間が昇温ステップ(ステップＳ３)の開始から大凡２１分であるのに対して、本実施形態におけるクーリングユニット１００を利用した温度制御(実施形態３)でのオーバシュートが０．５℃であり、上下限値１℃内に安定するまでの時間が大凡１７分であった。このように比較例よりも温度安定性が格段に向上している。
また、１７分は、５００℃から６５０℃まで昇温させるときに６４９℃(目標温度―下限値)に炉内の温度(ＣＵゾーンの温度)が到達した時間であり、実施形態３において、６４９℃に到達した後、上下限値(１℃)の範囲に収束している。このように、実施形態３によれば、予め昇温時に比較例よりも温度制御性が格段に向上している。
更に、図１３に示すように、昇温時に上下限値の範囲内に炉内の温度(ＣＵゾーンの温度)が到達する前に、実施形態３による温度制御が終了しているため、結果として過加熱が抑制されている。一方、比較例では、オーバシュートが発生し、ＣＵゾーンの温度が上下限値の範囲内に収束するのに時間がかかる。
このように、昇温ステップ(ステップＳ３)において、実施形態３では加熱装置４０での加熱とクーリングユニット１００による冷却の両方を利用して所定のレート(この場合、１０℃/分)に沿うように制御しているので、比較例(クーリングユニット無し)よりも上下限値に収束する時間を短縮することができる。更に、実施形態３によれば、オーバシュートしても温度を上下限値内に収めることができる。よって、比較例よりも次の処理ステップ(ステップＳ４)に早く移行することができ、スループットを向上させることができる。
図１４は、上述した実施形態３におけるクーリングユニット１００を利用した温度制御を降温ステップ(ステップＳ５)に適用した図示例であり、降温ステップ(ステップＳ５)での炉内の温度変化を比較例(バルブ１００％開度固定)と実施形態３(バルブ開度制御有)とで比較した時の図である。
図１４では、降温ステップ(ステップＳ５)から次のステップ(ステップＳ６)に移行する前までの温度推移を、全ゾーンの熱電対で測定した炉内温度の平均温度で示している。図１４に示す横軸が時間(単位分)、縦軸が温度(単位℃)となっており、特に、左側の縦軸は炉内の温度であり、右側の縦軸は温度偏差である。尚、比較例としてクーリングユニット無しで比較すべきであるが、冷却無し(加熱装置４０の電力オフのみ)の場合、レート１０℃/分で降温できないため、バルブ固定(開度１００％)を比較例として、実施形態３(バルブの開度を制御)と比較した。
図１４は、降温ステップ(ステップＳ５)から次のステップ(ステップＳ６)に移行する前までのゾーン間の温度偏差を点線で示したものであり、全ゾーンの平均温度の温度変化を実線で示したものである。図１４に示すように、８００℃から４００℃まで、レート１０℃/分で降温させたときの炉内の温度変化を示している。この温度変化は、全ゾーンの熱電対で測定した炉内温度の平均温度で示される。そして、この炉内の温度変化及びゾーン間の温度偏差は、比較例と実施形態３において、ほぼ同等である。
しかしながら、比較例は、ヒータパワーを加えて加熱装置４０で加熱して、レート１０℃/分に降温を遅らせるよう調整している。一方、実施形態３では、冷却エア９０により冷却と加熱装置４０による加熱の両方を調整している。よって、ヒータパワーのみで降温レート(１０℃/分)を制御する比較例よりも省エネルギー化を実現できる。
図１５は、上述した実施形態１及び実施形態２におけるクーリングユニット１００を利用した温度制御を降温ステップ(ステップＳ５)に適用した図示例であり、降温ステップ(ステップＳ５)での炉内の温度変化を比較例(バルブ１００％開固定)と実施形態１(バルブ開度を冷却ゾーン毎に固定)及び実施形態２(バルブ開度制御有)で比較した時の図である。
図１５も、図１４と同様に、降温ステップ(ステップＳ５)から次のステップ(ステップＳ６)に移行する前までの温度推移(実線)を、全ゾーンの熱電対で測定した炉内温度の平均温度で示している。図１５に示す横軸が時間(単位分)、縦軸が温度(単位℃)となっており、特に、左側の縦軸は炉内の温度であり、右側の縦軸は温度偏差である。８００℃から加熱装置４０を電力オフ(ヒータパワー０％)で降温させたときの炉内の温度変化を示している。
図１５に示すように、８００℃から４００℃までに到達する時間は、当然、冷却ガスを多く供給している順に、比較例(バルブ開度１００％固定)が一番早く約１２分、続いて実施形態１(バルブ開度ゾーン毎に固定)が約１３分、実施形態２(バルブ開度制御有)が約１４分となっている。
また、図１５に示すように、８００℃から加熱装置４０を電力オフ(ヒータパワー０％)で降温させたときのゾーン間の温度偏差(点線)を示している。これによると、比較例(バルブ開度１００％)のゾーン間の温度偏差が最大６０℃を超えてしまっている。更に、８００℃からの降温開始３分後からずっとゾーン間の温度偏差が２０℃以上という結果になっている。ここで、実施形態１(バルブ開度ゾーン毎に固定)でも、８００℃からの降温開始１０分後からずっとゾーン間の温度偏差が２０℃程度という結果になっている。比較例(バルブ開度１００％固定)よりもゾーン間の温度偏差が低減されているが、冷却エア９０のバルブ開度を固定する制御には限界があると思われる。
一方、実施形態２(バルブ開度制御有)のゾーン間の温度偏差は、降温ステップ(ステップＳ５)の間、ゾーン間の温度偏差の最大値が１０℃を超えることなく、ゾーン間の温度偏差の平均値が８℃程度である。
つまり、処理後の温度履歴をさほど考慮する必要が無い処理であれば、実施形態２(又は実施形態１)によるクーリングユニット１００を利用した温度制御を行うことにより、実施形態３よりもスループット向上を図ることができる。
図１６は、上述した実施形態３におけるクーリングユニット１００を利用した温度制御による効果をボートロードステップ(ステップＳ２)で示す図であり、ステップＳ２での炉内の温度変化を比較例(クーリングユニット無し)と上述した実施形態３とで比較した時の図である。図１６に示すように、ステップＳ２のような外乱による温度低下が避けられない時の温度リカバリ時間を短縮することができる。
図１６では、ステップＳ２の温度推移を、複数の制御ゾーンのうち、Ｌ１ゾーンの温度で例示している。図１６に示す横軸が時間(単位分)、縦軸が温度(単位℃)となっており、特に、左側の縦軸は炉内の温度であり、右側の縦軸は温度偏差である。５００℃で維持しつつ、ボート３１を炉内に装入させたときの炉内の温度変化(実線)及びゾーン間の温度偏差(点線)を示している。
図１６に示すように、比較例(クーリングユニット無し)では、温度低下が最大値２５℃、温度偏差の最大値が約２０℃となり、一方、上述した実施形態３におけるクーリングユニットを利用した温度制御では、温度低下が最大でも１０℃よりも小さく、温度偏差の最大値も約１０℃となった。また、再度５００℃(±２℃)に安定した時間は、比較例では３５分に対し、実施形態３では、２１分だった。このように、上述した実施形態３におけるクーリングユニットを利用した温度制御では、ステップＳ２のような外乱による温度低下が避けられない時の温度リカバリ時間を短縮することができる。よって、実施形態３によれば、比較例よりも次の昇温ステップ(ステップＳ３)に早く移行することができ、スループットを向上させることができる。
更に言えば、比較的低い温度(図１６では５００℃)でボートロードステップ(ステップＳ２)を実施した場合、比較例ではボートロードの外乱による温度変動に対してパワーを過剰に出力し、炉内温度が設定値以上となり、パワーを低下させるよう電力オフ(ヒータパワー０％)の状態となる。この電力オフ(ヒータパワー０％)状態で炉内温度が設定値になるよう低下するまで長時間必要とし、温度リカバリ時間が長くなっていた。一方、本実施形態３におけるクーリングユニット１００の制御は、予め設定したパワー値以下の出力の場合、冷却を強く(バルブOPEN)、予め設定したパワー値以上の場合、冷却を弱く(バルブClose)することで、ある一定のパワーを出力させることを目的としている。その結果、比較例のように電力オフ(ヒータパワー０％)状態が短くなり、外乱による温度変動に対してパワー値を上下させることが可能となり、温度制御性が向上し、温度リカバリ時間を短縮することができる。
また、上述した実施形態３におけるクーリングユニットを利用した温度制御は、ステップＳ６(ボートアンロードステップ)においても温度リカバリ時間を比較例と比較して短縮することができる。
また、本発明は、半導体製造装置だけでなくＬＣＤ装置のようなガラス基板を処理する装置にも適用することができる。例えば、半導体集積回路装置（半導体デバイス）が作り込まれる半導体ウエハに酸化処理や拡散処理、イオン打ち込み後のキャリア活性化や平坦化のためのリフローやアニール及び熱ＣＶＤ反応による成膜処理などに使用される基板処理装置に利用して有効なものに適用することができる。
この出願は、２０１６年１１月３０日に出願された日本出願特願２０１６−２３２８１３を基礎として優先権の利益を主張するものであり、その開示の全てを引用によってここに取り込む。
本発明は、被処理基板を処理室に収容して加熱装置によって加熱した状態で処理を施す処理装置であれば適用できる。
１ 基板(ウエハ)１０ 基板処理装置１１ 反応管(プロセスチューブ)１４ 処理室(炉内空間)３１ ボート４０ 加熱装置(ヒータユニット)６４ 温度制御部(温度コントローラ)３００バルブ制御部

Claims (12)

  1. ボートに載置された状態の基板を加熱するヒータユニットと、所定の温度に維持するよう前記ヒータユニットを制御する温度制御部と、反応管に向けて供給するガスの流量を調整する制御バルブの開度を調整するバルブ制御部と、所定の昇温レートで前記所定の温度まで昇温させる昇温ステップ、前記所定の温度で前記基板を処理する処理ステップ、前記所定の温度から所定の降温レートで降温させる降温ステップを含むレシピを実行指示する制御部と、を備え、前記制御部は、前記ヒータユニットによる加熱及び前記制御バルブから供給されるガスによる冷却を並行させて、前記所定の昇温レート及び前記所定の降温レートに追従させるように、前記温度制御部及び前記バルブ制御部を制御するよう構成されている基板処理装置。
  2. 更に、複数の冷却ゾーンに分割され、前記冷却ゾーン毎に前記制御バルブを設けるクーリングユニットを有し、前記制御バルブは、前記冷却ゾーン毎に個別に開度が調整されるよう構成されている請求項１記載の基板処理装置。
  3. 前記制御ゾーンの数と前記冷却ゾーンの数が一致するように構成されている請求項２に記載の基板処理装置。
  4. 前記制御部は、前記ヒータユニットによる加熱及び前記制御バルブから供給されるガスによる冷却を並行させて、前記昇温ステップから前記処理ステップへの移行時において発生するオーバシュートの時間を短縮させるように、前記温度制御部及び前記バルブ制御部を制御するよう構成されている請求項１記載の基板処理装置。
  5. 前記制御部は、前記制御バルブから供給されるガスによる冷却により、前記降温ステップの時間を短縮させるように、前記バルブ制御部を制御するよう構成されている請求項１記載の基板処理装置。
  6. 前記制御ゾーン毎に設けられた熱電対を有し、前記制御部は、基準ゾーンに選択された基準ゾーンの温度を検出する熱電対と、基準ゾーン以外に設けられた熱電対との温度偏差がゼロになるように前記温度制御部及び前記制御バルブを制御するよう構成されている請求項１記載の基板処理装置。
  7. 前記温度制御部は、前記基準ゾーンの温度を検出する熱電対と前記制御部からの設定値から算出された基準設定値との偏差がゼロになるように前記制御バルブを制御するように構成されている請求項６記載の基板処理装置。
  8. 前記制御部は、前記ヒータユニットによる加熱及び前記制御バルブから供給されるガスによる冷却を並行させて、前記昇温ステップから前記処理ステップへの移行時において発生するオーバシュートの時間を短縮させるように、前記温度制御部及び前記バルブ制御部に制御するよう構成されている請求項１記載の基板処理装置。
  9. 前記制御部は、前記昇温ステップにおいて、前記所定の温度に到達する前に前記制御バルブから供給されるガスを停止させるように前記バルブ制御部を制御するよう構成されている請求項１に記載の基板処理装置。
  10. 更に、前記レシピは、複数枚の基板をボートに保持させて、前記反応管内に装入するボートロードステップを有し、前記制御部は、前記ヒータユニットによる加熱及び前記制御バルブから供給されるガスによる冷却を並行させて、前記ボートロードステップにおいて発生するオーバシュートの時間を短縮させるように、前記温度制御部及び前記バルブ制御部に制御するよう構成されている請求項１記載の基板処理装置。
  11. 複数枚の基板をボートに保持させて、反応管内に装入する工程と、前記反応管内の温度を所定の昇温レートで所定の温度にする昇温工程と、ヒータユニットにより前記所定の温度に制御しつつ、前記基板を処理する工程と、前記反応管内の温度を所定の降温レートで前記所定の温度よりも低い温度にする降温工程と、を有する半導体装置の製造方法であって、前記昇温工程において、前記ヒータユニットによる加熱及び制御バルブから供給されるガスによる冷却を並行させて前記所定の昇温レートに追従させ、前記降温工程において、前記ヒータユニットによる加熱及び制御バルブから供給されるガスによる冷却を並行させて前記所定の降温レートに追従させる半導体装置の製造方法。
  12. 反応管内の温度を所定の温度に維持するよう、前記反応管内に装入されたボートに載置された基板を加熱するヒータユニットを制御する温度制御部と、前記反応管に向けて供給されるガスの流量を調整する制御バルブの開度を調整するバルブ制御部と、を備えた基板処理装置に、複数枚の基板をボートに保持させる手順と、前記ボートを反応管に装入する手順と、前記反応管内の温度を所定の昇温レートで所定の温度に昇温する手順と、前記所定の温度に制御しつつ、前記基板を処理する手順と、前記反応管内の温度を所定の降温レートで前記所定の温度よりも低い温度に降温する手順と、を実行させるプログラムであって、前記昇温する手順において、前記ヒータユニットによる加熱及び前記制御バルブから供給されるガスによる冷却を並行させて前記所定の昇温レートに追従させ、前記降温する手順において、前記ヒータユニットによる加熱及び前記制御バルブから供給されるガスによる冷却を並行させて前記所定の降温レートに追従させるプログラム。
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