JPWO2019180785A1

JPWO2019180785A1 - 基板加熱システム及び基板処理装置

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Publication number: JPWO2019180785A1
Application number: JP2020508124A
Authority: JP
Inventors: 翼岩苔; 佑美柳井
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 2018-03-19
Filing date: 2018-03-19
Publication date: 2021-03-18
Anticipated expiration: 2038-03-19
Also published as: US20210095377A1; WO2019180785A1; KR20200126399A; CN111886672A; KR102435174B1; JP7070662B2

Abstract

本発明は、トッププレートとヒータとの熱膨張の偏りを低減してヒータの破損を防ぐものであり、基板Ｗが載置されるトッププレート２と、トッププレート２の下面に設けられたヒータ３と、トッププレート２の温度を検出するプレート温度検出部４と、ヒータ３の温度を検出するヒータ温度検出部５と、ヒータ３の検出温度とトッププレート２の検出温度とに基づいて、ヒータ３の出力を制御するヒータ制御部６とを備え、ヒータ制御部６は、ヒータ３の検出温度とトッププレート２の検出温度との検出温度差が所定の温度差上限値を超えないようにヒータ３の出力を制御して、トッププレート２の検出温度が所定の設定温度となるように制御する。

Description

本発明は、基板加熱システム及び基板処理装置に関するものである。

従来、成膜などの基板処理が行われる基板を加熱するものとしては、特許文献１に示す基板加熱制御システムがある。

この基板加熱制御システムは、基板が載置されるトッププレートの温度を検出して、当該トッププレートの検出温度が所定の閾値よりも低い場合には、予め用意してある複数の温度管理モード（時間経過とともにヒータの設定温度を変更する）にて制御を行う。トッププレートの温度が所定の閾値よりも高い場合には、ＰＩＤ制御を行う。

しかしながら、昇温開始時にヒータの温度を高く設定すると、トッププレートとヒータとの温度差が大きくなり、トッププレートとヒータとの熱膨張の差によりヒータが破損する恐れがある。

特許第３８１０７２６号公報

そこで本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであり、トッププレートとヒータとの熱膨張の偏りを低減してヒータの破損を防ぐことをその主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係る基板加熱システムは、基板が載置されるトッププレートと、前記トッププレートの下面に設けられたヒータと、前記トッププレートの温度を検出するプレート温度検出部と、前記ヒータの温度を検出するヒータ温度検出部と、前記ヒータの検出温度と前記トッププレートの検出温度とに基づいて、前記ヒータの出力を制御するヒータ制御部とを備え、前記ヒータ制御部は、前記ヒータの検出温度と前記トッププレートの検出温度との検出温度差が所定の温度差上限値を超えないように前記ヒータの出力を制御して、前記トッププレートの検出温度が所定の設定温度となるように制御することを特徴とする。

このような本発明であれば、ヒータの検出温度とトッププレートの検出温度との検出温度差が所定の温度差上限値を超えないようにヒータの出力を制御しているので、トッププレートとヒータとの熱膨張の偏りを低減してヒータの破損を防ぐことができる。

具体的には前記ヒータ制御部は、前記検出温度差に基づいて、前記ヒータの出力上限値を設定することが望ましい。この構成であれば、トッププレートの検出温度を設定温度に向かって上昇させるとともに、ヒータの検出温度とトッププレートの検出温度との検出温度差が温度差上限値を超えないようにすることができる。

詳細には、前記ヒータ制御部は、前記検出温度差が所定の温度差目標値よりも大きい場合、現在の出力上限値から所定値を減算して次の出力上限値として設定し、前記検出温度差が所定の温度差目標値よりも小さい場合、現在の出力上限値から所定値を加算して次の出力上限値として設定することが望ましい。

前記ヒータ制御部は、前記検出温度差が所定の温度差目標値よりも小さい場合において、前記温度差目標値と前記検出温度差との差が所定の閾値よりも大きい場合、現在の出力上限値から所定値を加算して次の出力上限値として設定し、前記温度差目標値と前記検出温度差との差が所定の閾値よりも小さい場合、現在の出力上限値を変更しないことが望ましい。この構成であれば、温度制御の応答性の遅れを考慮して、ヒータの検出温度とトッププレートの検出温度との検出温度差が温度差上限値を超えないようにすることができる。

前記ヒータ制御部は、前記温度差目標値を前記トッププレートの検出温度に基づいて切り替えることが望ましい。トッププレートの検出温度が上がるに連れて例えば段階的に温度差目標値が大きくなるように切り替えることによって、トッププレートの昇温時間を短縮することができる。

ヒータ制御部の具体的な制御態様としては、前記トッププレートの検出温度が前記設定温度から所定温度を差し引いた閾値温度よりも低い場合、前記検出温度差が前記温度差上限値を超えないように前記ヒータの出力を制御し、前記トッププレートの検出温度が前記閾値温度よりも高い場合、前記トッププレートの検出温度が前記設定温度となるように制御することが望ましい。

前記ヒータ制御部は、前記ヒータの検出温度が所定のヒータ温度上限値を超えた場合、所定の第１出力上限値を用いて前記ヒータの出力を制御することが望ましい。

前記ヒータ制御部は、前記検出温度差が前記温度差上限値を超えた場合、所定の第２出力上限値を用いて前記ヒータの出力を制御することが望ましい。

このように構成した本発明によれば、トッププレートとヒータとの熱膨張の偏りを低減してヒータの破損を防ぐことができる。

本実施形態に係る基板加熱システムの構成を示す模式図である。同実施形態におけるヒータの電源投入から昇温完了までのフローチャートである。同実施形態における出力上限値の演算処理を示すフローチャートである。同実施形態における設定温度とトッププレートの検出温度との時系列的関係を示すグラフである。変形実施形態における設定温度とトッププレートの検出温度との時系列的関係を示すグラフである。変形実施形態の開始出力量の自動演算処理を示すフローチャートである。

１００・・・基板加熱システム
Ｗ・・・基板
２・・・トッププレート
３・・・ヒータ
４・・・プレート温度検出部
５・・・ヒータ温度検出部
６・・・ヒータ制御部

以下に、本発明に係る基板加熱システムの一実施形態について、図面を参照して説明する。

本実施形態の基板加熱システム１００は、図１に示すように、プラズマＣＶＤ装置やＩＣＰスパッタ装置等の成膜装置に用いられるものであり、具体的には真空容器２００内に設けられて、載置された基板Ｗを所定の設定温度に加熱するものである。

具体的に基板加熱システム１００は、基板Ｗが載置されるトッププレート２と、トッププレート２の下面に設けられたヒータ３と、トッププレート２の温度Ｔ_Ｐを検出するプレート温度検出部４と、ヒータ３の温度Ｔ_Ｈを検出する例えば熱電対等のヒータ温度検出部５と、ヒータ３の検出温度Ｔ_Ｈとトッププレート２の検出温度Ｔ_Ｐとに基づいて、ヒータ３の出力を制御するヒータ制御部６とを備えている。

本実施形態のヒータ３は、サイリスタ等のパワー半導体デバイスを用いた通電制御機器７によって通電量が調整される。また、ヒータ３は、トッププレート２とベースプレート８とにより挟まれて設けられており、トッププレート２とベースプレート８によりヒータプレートが構成される。また、プレート温度検出部４は、トッププレート２に接触して設けられており、例えば熱電対等を用いることができる。さらに、ヒータ温度検出部５は、ヒータ３に接触して設けられており、例えば熱電対等を用いることができる。これら温度検出部４の検出温度Ｔ_Ｈ、Ｔ_Ｐはヒータ制御部６に入力される。

ヒータ制御部６は、通電制御機器７に制御信号を出力して通電制御機器７を制御することによって、ヒータ３の出力を制御するものである。なお、ヒータ制御部６は、ＣＰＵ、内部メモリ、入出力インターフェイス、ＡＤ変換器等を有する専用乃至汎用のコンピュータから構成されている。ここで、ヒータ制御部６は、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）を用いて構成しても良い。

具体的にヒータ制御部６は、ヒータ３の検出温度Ｔ_Ｈとトッププレート２の検出温度Ｔ_Ｐとの検出温度差ΔＴ（＝Ｔ_Ｈ−Ｔ_Ｐ）が所定の温度差上限値ΔＴ_ＭＡＸを超えないようにヒータ３の出力を制御して、トッププレート２の検出温度Ｔ_Ｐが所定の設定温度Ｔ_ＳＥＴとなるように制御する。

次に、ヒータ制御部６の機能とともに基板加熱システム１００の動作について説明する。

基板加熱システム１００の動作の概略は図２に示すとおりである。
つまり、ヒータ３がＯＮされた場合、又は、設定温度Ｔ_ＳＥＴが高温側に変更された場合にヒータ制御部６は通電制御機器７に制御信号を出力して、トッププレート２の昇温を開始する（Ｓ１−１）。なお、設定温度Ｔ_ＳＥＴは、ユーザにより入力される温度であり、以下では４００℃とした場合を考える。

そして、ヒータ制御部６は、設定温度Ｔ_ＳＥＴとトッププレート２の検出温度Ｔ_Ｐとの温度差（偏差＝Ｔ_ＳＥＴ−Ｔ_Ｐ）に基づいて、ヒータ３の出力をランプ制御及びＰＩＤ制御することにより、トッププレート２の検出温度Ｔ_Ｐが設定温度Ｔ_ＳＥＴとなるように制御する（Ｓ１−２）。ここで、ランプ制御では、単位時間（例えば１分）毎に目標値が所定温度（例えば１℃）ずつ上昇する入力を与える。

また、ヒータ制御部６は、トッププレート２の検出温度Ｔ_Ｐと設定温度Ｔ_ＳＥＴとを比較する（Ｓ１−３）。その比較の結果、トッププレート２の検出温度Ｔ_Ｐが設定温度Ｔ_ＳＥＴよりも小さい場合には、Ｓ１−２に戻る。一方、トッププレート２の検出温度Ｔ_Ｐが設定温度Ｔ_ＳＥＴに到達している場合には、昇温を終了する（Ｓ１−４）。

次に、ヒータ制御部６の具体的な制御内容について説明する。

ヒータ制御部６は、上記のＳ１−２において、ヒータ３の検出温度Ｔ_Ｈとトッププレート２の検出温度Ｔ_Ｐとの検出温度差ΔＴに基づいて、ヒータ３の出力上限値（例えば７５０℃）を設定し、当該設定した出力上限値を超えないように、ヒータ３の出力をランプ制御及びＰＩＤ制御する。

このため、ヒータ制御部６は、昇温開始（Ｓ１−１）後において、出力上限値を設定するか否かを判断する（Ｓ２−１）。具体的にヒータ制御部６は、トッププレート２の検出温度Ｔ_Ｐと、設定温度Ｔ_ＳＥＴから所定温度（例えば１０℃）を差し引いた閾値温度（＝Ｔ_ＳＥＴ−１０℃）とを比較して、トッププレート２の検出温度Ｔ_Ｐが閾値温度よりも低ければ、出力上限値を設定する（Ｓ２−２）。トッププレート２の検出温度Ｔ_Ｐが閾値温度よりも高い場合には、出力上限値を設定せずに、トッププレート２の検出温度Ｔ_Ｐが設定温度Ｔ_ＳＥＴとなるように、ヒータ３の出力をランプ制御及びＰＩＤ制御する（Ｓ１−２）。

出力上限値は、ヒータ３の検出温度Ｔ_Ｈ及びトッププレート２の検出温度Ｔ_Ｐの検出温度差ΔＴと所定の温度差目標値αとを比較する（Ｓ２−３）。

検出温度差ΔＴが温度差目標値αよりも小さい（α＞ΔＴ）場合、ヒータ制御部６は、温度差目標値α及び検出温度差ΔＴの差（＝α−ΔＴ）と所定の閾値βとを比較する（Ｓ２−４）。ここで、閾値βは、Ｓ２−４の処理によりトッププレート２の検出温度の急な上昇を防ぐことを考慮して、実際の基板加熱システム１００の加熱試験結果によって定めることができる。

温度差目標値α及び検出温度差ΔＴの差（＝α−ΔＴ）が閾値βよりも大きい（α−ΔＴ＞β）場合の場合には、現在の出力上限値に所定値を加算して、次の出力上限値として設定する（Ｓ２−５）。また、α−ΔＴ≦βの場合には、Ｓ２−３に戻る。

一方、Ｓ２−３において、検出温度差ΔＴが温度差目標値αよりも大きい（ΔＴ≧α）場合、ヒータ制御部６は、現在の出力上限値から所定値を減算して、次の出力上限値として設定する（Ｓ２−６）。

そして、ヒータ制御部６は、上記で設定された出力上限値を元にして、ヒータ３の出力をランプ制御及びＰＩＤ制御する（Ｓ１−２）。

＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態の基板加熱システム１００によれば、ヒータ３の検出温度Ｔ_Ｈとトッププレート２の検出温度Ｔ_Ｐとの検出温度差ΔＴが所定の温度差上限値Ｔ_ＭＡＸを超えないようにヒータ３の出力を制御しているので、トッププレート２とヒータ３との熱膨張の偏りを低減してヒータ３の破損を防ぐことができる。
また、本実施形態では、ヒータ制御部６はヒータの出力をランプ制御及びＰＩＤ制御するので、昇温時間を短縮することができる。

＜変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、ヒータ制御部６は、図５に示すように、温度差目標値αをトッププレート２の検出温度Ｔ_Ｐに基づいて切り替えるように構成しても良い。図５では、検出温度Ｔ_Ｐが５０℃に到達した時に温度差目標値αをα１からα２に上昇させた場合を示している。

また、ヒータ制御部６は、トッププレートの昇温においてヒータの開始出力量を１％とする他、ユーザが設定した開始出力量から出力制御しても良いし、図６に示すように自動演算により求めた開始出力量から出力制御しても良い。

以下に図６に示す自動演算について説明する。

開始出力量の演算が開始されると（Ｓ３−１）、ヒータ制御部６は、当該自動演算における開始出力を設定する（Ｓ３−２）。ここでは、１サイクル目は１％を設定する。１サイクル目以降は更新された値を設定する。

この設定の後に、ヒータ制御部６は、設定された出力量によりヒータ３を制御して昇温を開始する（Ｓ３−３）。また、ヒータ制御部６は、昇温開始から検出温度差ΔＴが一定又は下降となるまでの温度差最大値γを検出して格納する（Ｓ３−４）。なお、Ｓ３−４では、γは温度差上限値ΔＴ_ＭＡＸを超えないものとする。

そして、ヒータ制御部６は、温度差目標値αと温度差最大値γとを比較する（Ｓ３−５）。

この比較の結果、温度差目標値αが温度差最大値γよりも大きい（α＞γ）場合、現在の開始出力に所定値（例えば１％）を加算して次の開始出力とする（Ｓ３−６）。その後、昇温を終了して、トッププレート２の検出温度が常温（例えば２５℃）まで下がると、再びＳ３−２から実施する（Ｓ３−７）。

一方、Ｓ３−５において、温度差目標値αが温度差最大値γよりも小さい（α＜γ）場合、昇温を終了する（Ｓ３−８）。以上の処理を行うことにより、開始出力量の自動演算が完了する（Ｓ３−９）。このように開始出力量を自動演算しておくことによって、昇温開始直後からヒータの出力量を一挙に挙げることができ、昇温時間を短縮することができる。

また、ヒータ制御部は、ヒータの検出温度が所定のヒータ温度上限値を超えた場合、所定の第１出力上限値を用いて前記ヒータの出力を制御するようにしても良い。

さらに、ヒータ制御部は、検出温度差が温度差上限値を超えた場合、所定の第２出力上限値を用いてヒータの出力を制御するようにしても良い。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

本発明によれば、トッププレートとヒータとの熱膨張の偏りを低減してヒータの破損を防ぐことができる。

Claims

基板が載置されるトッププレートと、
前記トッププレートの下面に設けられたヒータと、
前記トッププレートの温度を検出するプレート温度検出部と、
前記ヒータの温度を検出するヒータ温度検出部と、
前記ヒータの検出温度と前記トッププレートの検出温度とに基づいて、前記ヒータの出力を制御するヒータ制御部とを備え、
前記ヒータ制御部は、前記ヒータの検出温度と前記トッププレートの検出温度との検出温度差が所定の温度差上限値を超えないように前記ヒータの出力を制御しつつ、前記トッププレートの検出温度が所定の設定温度となるように制御する、基板加熱システム。
前記ヒータ制御部は、前記検出温度差に基づいて、前記ヒータの出力上限値を設定する、請求項１記載の基板加熱システム。
前記ヒータ制御部は、前記検出温度差が所定の温度差目標値よりも大きい場合、現在の出力上限値から所定値を減算して次の出力上限値として設定し、前記検出温度差が所定の温度差目標値よりも小さい場合、現在の出力上限値から所定値を加算して次の出力上限値として設定する、請求項２記載の基板加熱システム。
前記ヒータ制御部は、前記検出温度差が所定の温度差目標値よりも小さい場合において、前記温度差目標値と前記検出温度差との差が所定の閾値よりも大きい場合、現在の出力上限値から所定値を加算して次の出力上限値として設定し、前記温度差目標値と前記検出温度差との差が所定の閾値よりも小さい場合、現在の出力上限値を変更しない、請求項３記載の基板加熱システム。
前記ヒータ制御部は、前記温度差目標値を前記トッププレートの検出温度に基づいて切り替える、請求項３又は４記載の基板加熱システム。
前記ヒータ制御部は、前記トッププレートの検出温度が前記設定温度から所定温度を差し引いた閾値温度よりも低い場合、前記検出温度差が前記温度差上限値を超えないように前記ヒータの出力を制御し、前記トッププレートの検出温度が前記閾値温度よりも高い場合、前記トッププレートの検出温度が前記設定温度となるように制御する、請求項１乃至５の何れか一項に記載の基板加熱システム。
前記ヒータ制御部は、前記ヒータの検出温度が所定のヒータ温度上限値を超えた場合、所定の第１出力上限値を用いて前記ヒータの出力を制御する、請求項１乃至６の何れか一項に記載の基板加熱システム。
前記ヒータ制御部は、前記検出温度差が前記温度差上限値を超えた場合、所定の第２出力上限値を用いて前記ヒータの出力を制御する、請求項１乃至７の何れか一項に記載の基板加熱システム。
請求項１乃至８の何れか一項に記載の基板加熱システムを用いた基板処理装置。