KR100850396B1

KR100850396B1 - 열처리 방법, 열처리 장치 및 그 교정 방법

Info

Publication number: KR100850396B1
Application number: KR1020057006725A
Authority: KR
Inventors: 박영철; 가즈히로 가와무라; 유우이찌 다께나가
Original assignee: 도쿄엘렉트론가부시키가이샤
Priority date: 2003-07-01
Filing date: 2004-07-01
Publication date: 2008-08-04
Also published as: US20070195853A1; KR20060032577A; US7575370B2; JP3802889B2; JP2005026397A; EP1650789A4; TWI328829B; EP1650789A1; TW200504813A; WO2005004214A1

Abstract

본 발명은 열모델을 이용하여 피처리체의 온도를 예상하고, 예상한 온도를 기초로 하여 온도 제어를 행하면서 열처리를 행하는 열처리 장치에 있어서, 정확한 온도 예상을 가능하게 하는 것을 목적으로 하고 있다. 열처리 장치(1)는 복수의 웨이퍼(W)를 수용하는 처리 용기(11)와 복수의 히터(31 내지 33)와 복수의 온도 센서(S1 내지 S5)를 구비하여 열모델을 기억한다. 열처리 장치(1)는 온도 센서(S1 내지 S5)의 출력으로부터 열모델을 이용하여 웨이퍼(W)의 온도를 예상하고, 예상한 온도를 기초로 하여 히터(31 내지 33)를 제어함으로써 웨이퍼(W)에 열처리를 실시한다. 각각의 장치에 있어서의 열모델은 기본 장치를 기초로 하여 설계된 기준 열모델을 각각의 장치용으로 교정하여 생성된다. 처리 용기(11) 내를 가열하여 처리 용기(11) 내의 웨이퍼(W)의 온도를 센서로 측정하고, 열모델을 이용하여 웨이퍼(W)의 온도를 예상하고 실시 온도와 예상 온도를 비교하여, 실측 온도가 예상 온도에 실질적으로 일치하도록 기준 열모델이 교정된다.

히터, 웨이퍼, 처리 용기, 열처리 장치, 온도 센서

Description

열처리 방법, 열처리 장치 및 그 교정 방법{HEAT TREATMENT METHOD, HEAT TREATMENT APPARATUS AND METHOD OF CALIBRATING THE APPARATUS}

본 발명은 반도체 웨이퍼 등의 피처리체를 열처리하는 열처리 장치의 교정 방법에 관한 것으로, 특히 수용하고 있는 피처리체의 온도를 열모델을 이용하여 예상하고, 예상 결과를 기초로 하여 제어를 행하는 열처리 장치의 열모델을 교정하는 방법에 관한 것이다.

다수의 반도체 웨이퍼에 대해 성막 처리, 산화 처리 혹은 확산 처리 등의 열처리를 일괄하여 행하는 배치(batch)식 열처리 장치에 있어서는, 성막해야 할 박막의 종류 및 막 두께 등에 따라서 처리 온도, 처리 압력 및 가스 유량 등의 처리 조건을 결정할 수 있고, 이들 처리 조건을 기입하는 레시피법이 준비되어 있다. 그리고, 각 오퍼레이터가 박막의 종류 및 막 두께에 따른 레시피를 선택함으로써, 미리 정해진 처리 조건을 기초로 하여 열처리 장치가 운전된다.

열처리 장치는 처리 온도, 처리 압력 및 가스 유량 등의 처리 조건이 레시피로 정해진 목표치에 일치시키도록 제어하면서 처리를 행한다. 이들 처리를 적절하게 행하기 위해, 웨이퍼의 온도, 가열로 내의 압력 및 가스 유량 등을 측정할 필요가 있다.

가열로 내의 압력은 압력계에 의해, 가스 유량은 공급관에 배치된 유량계를 포함하는 질량 유량 제어기 등에 의해 비교적 정확하게 측정이 가능하다. 그러나, 웨이퍼의 온도에 대해서는 측정이 곤란하다. 예를 들어, 웨이퍼에 온도 센서를 장착하여 가열로 내에 수납하는 방법도 생각할 수 있지만 온도 센서 장착 부위에 반도체 소자를 형성할 수 없어, 온도 센서로부터의 불순물이 가열로 내 전체를 오염시켜 반도체 장치의 수율을 더욱 저하시킬 우려가 있다.

이들 문제를 해결할 수 있는 기술이, 일본 특허 공보 JP2002-25997A 및 미국 특허 US5,517,594 명세서에 개시되어 있다. 이 기술은, 가열로에 복수의 온도 센서를 배치하고, 이 온도 센서의 출력과 히터로의 공급 전력 등을 기초로 하여 열모델(수학 모델)을 이용하여 웨이퍼의 온도를 시시각각으로 예상하고, 예상치를 이용하여 히터 전력을 제어하는 기술이다. 이 기술에 따르면, 웨이퍼의 온도를 비교적 정확하게 비접촉으로 예상하여 열처리 장치를 제어할 수 있다.

상기 장치의 열모델은 이하와 같이 하여 설정된다. 우선, 기본이 되는 장치(기본 장치)에 대해 열모델(기본 모델)을 생성한다. 생성한 기본 모델을, 동일 구조의 장치에 적용한다. 다음에, 기본 장치와 각각의 장치와의 미묘한 기기차(機差)(개체차)를 흡수하기 위해 셋업 작업을 행한다. 이 작업은, 셋업용 성막 작업을 각각의 장치로 행하고, 성막된 막 두께와 목적으로 하는 막 두께와의 차이로부터 열모델을 보정하여 기기차에 상관없이 균일한 막, 즉 장치 사이에서 동일한 두께의 막을 형성할 수 있도록 하는 것이다.

기본 장치와 각각의 장치와의 차이는 열에 관한 것뿐만 아니라, 가스의 유량 이나 가스의 압력 등에 대해서도 존재하고 있다. 환언하면, 장치 사이에서는 압력계나 가스 유량계의 측정치의 변동이 있다.

그러나 종래의 셋업 방법에서는, 이러한 열 이외의 요인에 의한 기기차도 모두 열모델에서 흡수하고, 장치 사이의 개체차를 외관상 없게 하여 장치 사이에서 동일한 막이 형성되도록 하고 있다. 이러한 셋업 방법은, 장치 사이에 존재하는 차이점을 상세하게 분석하는 일 없이 실질적으로 균일한 사양을 얻을 수 있어, 매우 유효한 셋업 방법이다.

그러나, 종래의 셋업 방법에서는 경우에 따라 장치의 열적인 상황을 오히려 알기 어려워지는 경우가 있었다. 예를 들어, 열모델로 기기차를 흡수할 수 없는 경우에는, 프로세스 결과의 변동(예를 들어, 성막 처리에 있어서의 막 두께의 변동)의 원인이 장치의 어느 부분에 있는지 알 수 없게 되어 버린다는 문제가 있었다. 환언하면, 각각의 장치의 열특성을 정확하게는 알 수 없었다.

본 발명은 이러한 사정 하에 이루어진 것으로, 열모델을 이용하여 피처리체의 온도를 예상하고, 예상한 온도를 기초로 하여 열처리를 행하는 열처리 장치에 있어서 보다 정확한 온도의 예상을 가능하게 하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은, 열모델을 이용하여 피처리체의 온도를 예상하고, 예상한 온도를 기초로 하여 열처리를 행하는 열처리 장치에 있어서, 보다 정확한 온도 특성의 파악을 가능하게 하는 것을 다른 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 제1 관점에 관한 열처리 장치의 교정 방법은,

피처리체를 수용하는 처리 용기와 복수의 히터와 복수의 온도 센서를 구비하고, 상기 온도 센서의 출력으로부터 상기 처리 용기 내의 피처리체의 온도를 추정하기 위한 열모델을 기억하고, 상기 온도 센서의 출력으로부터 상기 열모델을 이용하여 상기 처리 용기 내의 피처리체의 온도를 예상하고, 예상한 온도를 기초로 하여 상기 히터를 제어함으로써 상기 피처리체에 열처리를 실시하는 열처리 장치의 교정 방법이며,

상기 히터를 구동하여 상기 처리 용기 내를 가열하는 공정과,

상기 처리 용기 내의 상기 피처리체의 온도를 측정하는 공정과,

측정한 상기 처리 용기 내의 온도와 상기 열모델을 이용하여 예상한 상기 피처리체의 온도를 비교하여, 실측치에 예상치가 실질적으로 일치하도록 상기 열모델을 교정하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기한 방법에 따르면, 열모델을 그 열처리 장치에 적합한 상태로 교정하는 것이 가능해져 온도를 적절하게 예상할 수 있다. 따라서, 열처리 프로세스를 적절하게 행할 수 있다. 특히, 열처리 장치의 열특성을 근거로 하는 예상 온도와 실제 온도의 어긋남을 보정하는 것이 가능해진다. 결과적으로, 예를 들어 프로세스 결과가 기대한 것과 달리, 프로세스 중의 온도 변화가 예상된 변화에 일치하는 경우에는 그 원인이 열 이외의 점에 있는 것을 쉽게 판별할 수 있다.

일실시 형태에 있어서, 상기 처리 용기는 복수의 피처리체를 수용 가능하고, 상기 온도 측정 공정은 상기 피처리체에 인접하는 온도 센서를 배치하는 공정과, 배치한 온도 센서에 의해 상기 피처리체의 온도를 측정하는 공정을 포함한다.

일실시 형태에 있어서, 상기 교정 공정은 측정한 온도와 예상한 온도를 기초로 하여 상기 예상치의 보정치를 구하고, 예상치를 상기 보정치에 의해 보정하도록 상기 열모델을 교정한다.

일실시 형태에 있어서, 상기 가열 공정은 상기 히터를 구동하여 상기 처리 용기 내를 복수의 설정 온도로 차례로 설정하고, 상기 온도 측정 공정은 각 설정 온도에서의 상기 처리 용기 내의 온도를 측정하고, 상기 온도를 예상하는 공정은 각 설정 온도에서의 상기 처리 용기 내의 온도를 예상하고, 상기 교정 공정은 측정한 복수의 온도와 예상한 복수의 온도를 기초로 하여 상기 예상치의 보정치를 구하고, 상기 열모델의 예상치를 상기 보정치에 의해 보정하도록 상기 열모델을 교정한다.

일실시 형태에 있어서, 상기 열모델은 상기 히터의 온도와 각 온도 센서의 온도를 예상하는 기능을 구비하고, 상기 교정 공정은 상기 히터의 온도의 변화량과 상기 온도 센서의 측정 온도의 변화량과의 관계와, 상기 히터에 가장 근접하는 온도 센서의 열모델에 의한 예상 온도와 상기 온도 센서의 실측 온도와의 차를 기초로 하여 보정치를 구하고, 예상치를 보정치를 기초로 하여 보정하도록 상기 열모델을 교정한다.

일실시 형태에 있어서, 상기 처리 용기 내에는 내부 히터가 배치되어 있고, 상기 열모델은 상기 내부 히터의 온도를 예상하는 기능을 구비하고, 상기 교정 공정은 상기 내부 히터의 온도의 변화량과 상기 온도 센서의 측정 온도의 변화량과의 관계와, 상기 내부 히터에 가장 근접하는 온도 센서의 열모델에 의한 예상 온도와 상기 온도 센서의 실측 온도와의 차를 기초로 하여 보정치를 구하고, 예상치를 보정치를 기초로 하여 보정하도록 상기 열모델을 교정하도록 해도 된다.

일실시 형태에 있어서, 상기 처리 용기 내에 수용되는 피처리체의 상부와 하부에는 각각 제1 및 제2 히터가 배치되고, 상기 열모델은 상기 제1 및 제2 히터의 온도를 예상하는 기능을 구비하고, 상기 교정 공정은 상기 제1 히터의 온도의 변화량과 상기 온도 센서의 측정 온도의 변화량과의 관계와, 상기 제1 히터에 가장 근접한 온도 센서의 열모델에 의한 예상 온도와 상기 온도 센서의 실측 온도와의 차를 기초로 하여 제1 보정치를 구하고, 상기 제2 히터의 온도의 변화량과 상기 온도 센서의 측정 온도의 변화량과의 관계와, 상기 제2 히터에 가장 근접하는 온도 센서의 열모델에 의한 예상 온도와 상기 온도 센서의 실측 온도와의 차를 기초로 하여 제2 보정치를 구하고, 상기 열모델에 의한 예상치를 제1 및 제2 보정치를 기초하여 보정하도록 상기 열모델을 교정하도록 해도 된다.

상기 구성의 교정 방법에 의해 교정된 열모델을 이용하여 처리 용기 내의 온도를 예상하고, 예상한 온도를 기초로 하여 피처리체에 열처리를 실시하도록 해도 좋다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 제2 관점에 관한 열처리 장치는,

피처리체를 수용하는 처리 용기와 복수의 히터와 복수의 온도 센서를 구비하고, 상기 온도 센서의 출력으로부터 상기 처리 용기 내의 피처리체의 온도를 추정하기 위한 열모델을 기억하고, 상기 온도 센서의 출력으로부터 상기 열모델을 이용하여 상기 처리 용기 내의 피처리체의 온도를 예상하고, 예상한 온도를 기초로 하여 상기 히터를 제어함으로써 상기 피처리체에 열처리를 실시하는 열처리 장치이며,

상기 히터를 구동하여 상기 처리 용기 내를 가열하는 수단과,

상기 처리 용기 내의 상기 피처리체의 온도를 측정하는 수단과,

측정한 상기 처리 용기 내의 온도와 상기 열모델을 이용하여 예상한 상기 피처리체의 온도를 비교하여, 실측치에 예상치가 실질적으로 일치하도록 상기 열모델을 교정하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 각각의 열처리 장치의 열특성에 따라서 열모델을 커스터마이즈하여, 그 장치에 적합한 열모델을 생성하는 것이 가능해진다.

도1은 본 발명의 실시 형태에 관한 열처리 장치의 구성을 도시한 도면이다.

도2는 도1에 도시한 제어부의 구성을 나타낸 도면이다.

도3은 도2에 나타낸 열모델 기억부와 레시피 기억부에 기억되는 데이터의 예를 나타낸 도면이다.

도4는 셋업 레시피의 예를 나타낸 그래프이다.

도5는 온도 측정 장치의 구성을 도시한 도면이다.

도6은 온도 측정 장치의 아암부를 보트에 삽입한 상태를 도시한 도면이다.

도7은 기준 열모델을 교정하여 교정 열모델을 생성하는 순서를 설명하기 위한 흐름도이다.

도8은 기준 열모델을 교정하여 교정 열모델을 생성하는 순서를 설명하기 위한 흐름도이다.

도9는 셋업 레시피에 의한 각 설정 온도에 있어서의 기준 열모델에 따른 예상 온도와 실측 온도를 대응시켜 기억하는 모습을 나타낸 도면이다.

도10은 기준 열모델을 보정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

[부호의 설명]

1 : 열처리 장치

11 : 처리 용기

15 : 하단부

21 : 덮개

24 : 회전 테이블

26 : 보트

31 : 주위면 히터

31a : 메인 히터

31b : 상단부 서브 히터

31c : 하단부 서브 히터

32 : 상면 히터

33 : 하면 히터

100 : 제어부

S1 내지 S5 : 온도 센서

TC1 내지 TC5 : 열전대(온도 센서)

본 발명의 배치식 열처리 장치를 종형 열처리 장치에 적용한 실시 형태에 대해 설명한다.

본 실시 형태에 관한 종형의 열처리 장치(1)는, 도1에 도시한 바와 같이 처리 용기(반응관)(11)를 구비한다. 처리 용기(11)는, 피처리 형태를 이루는 웨이퍼(W)를 수용하여 소정의 열처리, 예를 들어 CVD 처리를 실시하기 위한 것으로, 내열성 및 내식성을 갖는 재료, 예를 들어 석영 유리에 의해 형성되어 있다. 처리 용기(11)는 상단부와 하단부가 개방된 단관(單管) 구조를 갖고, 상단부는 가는 직경으로 교축되어 배기부(12)를 형성한다. 배기부(12)는, 도시하지 않은 배기관 등을 거쳐서 진공 펌프 등에 접속되어 있다.

처리 용기(11)의 하부에는, 처리 용기(11) 내에 처리 가스나 불활성 가스를 도입하는 가스 도입부(도입 포트)(13)가 배치되어 있다. 가스 도입부(13)에는, 가스원을 통과하는 1개 또는 복수의 가스 공급 시스템의 배관(14)이 삽입 관통된다. 가스 도입부(13)로부터 도입된 처리 가스는 처리 용기(11) 내를 상승하여 웨이퍼(W)의 소정의 열처리에 이바지한 후, 배기부(12)로부터 배기된다.

처리 용기(11)의 플랜지 형상으로 형성된 하단부(15)는, 스테인레스 등의 내열성 및 내식성을 갖는 재료로 형성된 덮개(21)에 의해 개폐된다. 덮개(21)는 도시하지 않은 엘리베이터에 의해 승강하고, 상승한 위치에서 처리 용기(11)의 하단부(15)를 밀폐하고, 하강한 위치에서 처리 용기(11)의 하단부(15)를 개방한다. 처 리 용기(11)의 하단부(15)와 덮개(21) 사이에는 기밀을 확보하기 위한 O링(22)이 배치되어 있다.

덮개(21)의 중앙부에는 회전 지지 기둥(23)이 회전 가능하게 세워 설치되고, 회전 지지 기둥(23)의 상단부에는 회전 테이블(24)이 고정되어 있다. 또한, 덮개(21)의 하부에는 회전 지지 기둥(23)을 회전 구동하는 구동부(25)가 설치되어 있다.

회전 테이블(24) 상에는, 예를 들어 60매의 반도체 웨이퍼(W)를 높이 방향으로 소정 간격을 두고 탑재 가능한 석영 유리제의 보트(웨이퍼 보트)(26)가 적재된다. 보트(26)는 덮개(21)가 강하한 상태에서 회전 테이블(24) 상에 적재되고, 덮개(21)가 상승하여 처리 용기(11)의 하단부(15)를 밀폐하면 처리 용기(11) 내로의 로드가 완료되고, 처리 완료 후 덮개(21)가 강하함으로써 언로드된다. 또한, 프로세스 중에는 구동부(25)에 의한 회전 테이블(24)의 회전에 의해 회전되어, 웨이퍼(W)에 균일한 열처리가 실시된다.

처리 용기(11)의 주위에는, 처리 용기(11) 내에 수용된 웨이퍼(W)를 주연부로부터 가열 승온시키기 위한 주위면 히터(31)가 배치되어 있다. 주위면 히터(31)는, 예를 들어 막대 형상의 저항 발열체로 구성되고, 수직 상태로 처리 용기(11)의 주위를 둘러싸도록 통 형상으로 배치되고 있다. 주위면 히터(31)는 처리 용기(11)의 주위 전체를 가열하는 메인 히터(31a)와, 처리 용기(11)의 상단부측 및 하단부측의 주위를 가열하는 상단부 서브 히터(31b)와 하단부 서브 히터(31c)로 구성된다. 메인 히터(31a)와 서브 히터(31b, 31c)는, 처리 용기(11)의 주위 방향으로 번 갈아 배치되어 있다.

처리 용기(11)의 상하에는 상면 히터(32)와 하면 히터(33)가 설치되어 있다.

상면 히터(32)는 처리 용기(11)의 배기측 방열에 의한 웨이퍼 온도의 저하를 방지하기 위한 것으로, 배기부(12)의 주위에 도우넛 형상으로 형성되고, 지지 부재(34)에 의해 지지체(35)에 고정되어 있다.

또한, 하면 히터(33)는 덮개(21) 등을 거친 방열에 의한 웨이퍼 온도의 저하를 방지하기 위한 것으로, 처리 용기(11) 내의 회전 테이블(24)의 하부에 위치하도록 지지 부재(34)에 의해 덮개(21) 상에 고정되어 있다. 하면 히터(33)는, 그 중앙부를 회전 지지 기둥(23)이 관통하도록 도우넛 형상으로 형성되어 있다.

처리 용기(11)의 외주면에는 수직 방향으로 1열에 3개의 온도 센서(S1 내지 S3)가 배치되어 있다. 온도 센서(S1)는 보트(26)의 상부에 대응하는 위치에, 온도 센서(S2)는 보트(26)의 중앙부에 대응하는 위치에, 온도 센서(S3)는 보트(26)의 하부에 대응하는 위치에 각각 배치되어 있다.

또한, 처리 용기(11) 내의 상면 히터(32)와 보트(26)의 상단부면과의 사이의 위치에 온도 센서(S4)가 배치되고, 처리 용기(11) 내의 하면 히터(33)와 회전 테이블(24)과의 사이의 위치에 온도 센서(S5)가 배치되어 있다. 온도 센서(S4와 S5)는 금속 오염을 방지하기 위해, 예를 들어 석영 튜브에 수납되어 있다.

온도 센서(S1 내지 S5)의 출력(검출 온도)은, 후술하는 바와 같이 보트(26)에 배치된 웨이퍼(W)와 상면 히터(32) 및 하면 히터(33)의 표면 온도를 예상(추정 ; 예측)하기 위해 사용된다.

열처리 장치(1)는 장치 전체의 제어를 행하는 제어부(100)를 구비하고 있다.

도2에 도시한 바와 같이, 제어부(100)에는 온도 센서(S1 내지 S5), 조작 패널(121), 압력계(군)(122), 히터 제어기(123), 질량 유량 제어기(124), 밸브 개폐 제어부(125), 진공 펌프(126) 등이 접속되어 있다.

온도 센서(S1 내지 S5)는, 전술한 바와 같이 처리 용기(11)의 외벽면의 온도와 상면 히터(32) 및 하면 히터(33) 근방의 온도를 측정하여 제어부(100)에 통지한다.

조작 패널(121)은 표시 화면과 조작 버튼을 구비하여 오퍼레이터의 조작 지시를 제어부(100)에 전달하고, 또한 제어부(100)로부터의 다양한 정보를 표시 화면에 표시한다.

압력계(군)(122)는 처리 용기(11) 내 및 배기부(12) 내의 각부의 압력을 측정하고, 측정치를 제어부(100)에 통지한다.

히터 제어기(123)는 히터(31a, 31b, 31c, 32, 33)를 개별로 제어하기 위한 것으로, 제어부(100)로부터의 지시에 응답하여 히터(31a, 31b, 31c, 32, 33)에 통전하여 이들을 가열하고, 또한 각 히터(31a, 31b, 31c, 32, 33)의 소비 전력을 개별로 측정하여 제어부(100)에 통지한다.

질량 유량 제어기(124)는 각 배관에 배치되어, 각 배관을 흐르는 가스의 유량을 제어부(100)로부터 지시된 양으로 제어하는 동시에 실제로 흐른 가스의 유량을 측정하여 제어부(100)에 통지한다.

밸브 개폐 제어부(125)는 각 배관에 배치되어, 각 배관에 배치된 밸브의 개 방도를 제어부(100)로부터 지시된 값으로 제어한다. 진공 펌프(126)는 처리 용기(11)의 배기부(12)에 배기 파이프 등을 거쳐서 접속되고, 처리 용기(11) 내를 배기한다.

제어부(100)는, 도2에 나타낸 바와 같이 열모델 기억부(111)와, 레시피 기억부(112)와, ROM(113)과, RAM(114)과, I/O 포트(115)와, CPU(116)와, 이들을 서로 접속하는 버스(117)로 구성된다.

열모델 기억부(111)에는, 도3의 (a)에 나타낸 바와 같이 이 열처리 장치(1)와 동일 사양의 기준 장치를 이용하여 작성된 기준 열모델(M1)과, 기준 열모델(M1)을 이 열처리 장치(1)용으로 교정(커스터마이즈)하여 생성된 교정 열모델(M2)이 기억된다. 이 열처리 장치(1)의 제조 초기에는, 기준 열모델(M1)만이 열모델 기억부(111)에 기억되어 열처리 장치(1)의 셋업 처리에 의해 교정 열모델(M2)이 저장된다.

기준 열모델(M1)과 교정 열모델(M2)은 모두 온도 센서(S1 내지 S5)의 출력 신호(측정 온도) 및 히터(31a 내지 33)로의 공급 전력[히터(31a 내지 33)에 접속된 히터 제어기(123)로부터의 공급 전력량을 나타내는 지시치] 등으로부터 처리 용기(11) 내의 온도를 예상하기 위한 모델(수학 모델 ; 고차·다차원 행렬)이다. 단, 기준 열모델(M1)은 기준 장치를 이용하여 생성된 것으로, 동일 사양의 복수의 열처리 장치(1)에 공통인 것이다. 한편, 교정 열모델(M2)은 각 열처리 장치(1)의 셋업시에 기준 열모델(M1)을, 각각의 장치의 열특성을 정확하게 반영하도록 교정하여 생성되어 실제의 운용(프로세스 처리)에 사용된다.

보다 상세하게는, 기준 열모델(M1)은 온도 센서(S1 내지 S5)의 출력 신호(측정 온도) 및 히터(31a 내지 33)로의 공급 전력 등으로부터 보트(26)의 상부에 적재되어 있는 웨이퍼(보트 상부 웨이퍼)(W)의 중심부(P1) 및 주연부(P2)의 온도와, 보트(26)의 중앙부에 적재되어 있는 웨이퍼(보트 중앙부 웨이퍼)(W)의 중심부(P3)의 온도와, 보트(26)의 하부에 적재되어 있는 웨이퍼(보트 하부 웨이퍼)(W)의 중심부(P4) 및 주연부(P5)의 온도(합계 5 부위의 온도)와, 상면 히터(32) 및 하면 히터(33)의 표면 온도와, 온도 센서(S4와 S5)의 온도를 예상한다. 또한, 보트 중앙부 웨이퍼(W)에 대해 주연부의 온도를 측정하지 않은 것은, 보트(26)의 중앙부는 열적으로 가장 안정된 영역이며, 웨이퍼(W)의 중심부(P3)와 주연부와의 온도차가 거의 발생되지 않으므로 중심부(P3)의 온도로 보트 중앙부 웨이퍼(W) 전체의 온도를 대표할 수 있기 때문이다.

또한 기준 열모델(M1)은, 예상한 각 웨이퍼 온도로부터 그 웨이퍼 온도를 레시피로 규정되는 온도(목표치)로 하기 위해 각 히터(31a 내지 33)에 공급해야 할 전력을 구한다. 또한, 이 열모델을 생성하는 방법 자체는, 예를 들어 미국 특허 US5,517,594 명세서에 개시되어 있는 방법을 이용할 수 있다.

또한 교정 열모델(M2)은, 이 열처리 장치(1)에 고유의 열특성에 따라서 정확하게 각부의 온도를 추정할 수 있도록 커스터마이즈된 것인 점 이외에는, 기준 열모델(M1)과 동일 구조이다.

레시피 기억부(112)에는, 도3의 (b)에 나타낸 바와 같이 셋업 레시피(R1)와 1개 또는 복수의 프로세스 레시피(R2)가 기억되어 있다.

이 열처리 장치(1)의 제조 초기에는, 셋업 레시피(R1)만이 저장된다. 셋업 레시피(R1)는 열처리 장치(1)의 기준 열모델(M1)을 교정할 때에 실행되는 것으로, 도4에 나타낸 바와 같이 시간에 대해 상술한 5 부위(P1 내지 P5)의 온도를 계단 형상으로 승온시키는 것을 규정한다.

한편, 프로세스 레시피(R2)는 사용자가 행하는 열처리(프로세스)마다 준비되는 레시피이다.

도2에 나타낸 ROM(113)은 EEPROM, 플래시 메모리, 하드디스크 등으로 구성되고, CPU(116)의 동작 프로그램 등을 기억하는 기록 매체이다. RAM(114)은 CPU(116)의 작업 영역 등으로서 기능한다.

I/O 포트(115)는, 전술한 온도 센서(S1 내지 S5), 조작 패널(121), 압력계(122), 히터 제어기(123), 질량 유량 제어기(124), 밸브 개폐 제어부(125)에 접속되어 데이터나 신호의 입출력을 제어한다.

버스(117)는 각부의 사이에서 정보를 전달한다.

CPU(Central Processing Unit)(116)는 제어부(100)의 중추를 구성하고, ROM(113)에 기억된 제어 프로그램을 실행하여 조작 패널(121)로부터의 지시에 따라서, 레시피 기억부(112)에 기억되어 있는 레시피를 따라 열처리 장치(1)의 동작을 제어한다.

다음에, 열처리 장치(1)의 셋업 동작에서 사용하는 온도 측정 장치(51)에 대해 설명한다.

이 온도 측정 장치(51)는, 도5에 도시한 바와 같이 지지 기둥(52)과, 지지 기둥(52)으로부터 수평 방향으로 신장되는 제1, 제2 및 제3 아암(53, 54, 55)을 구비한다. 제1 내지 제3 아암(53, 54, 55)은, 도6에 도시한 바와 같이 보트(26)의 상부 슬롯, 중앙부 슬롯, 하부 슬롯에 측방으로부터 삽입 가능한 위치에 배치되어 있다. 또한, 제1 내지 제3 아암(53 내지 55)에는 열전대(온도 센서)(TC1 내지 TC5)가 배치되어 있다.

제1 아암(53)에는, 보트(26)에 삽입되었을 때에 보트(26)의 상부 슬롯의 웨이퍼(W)의 중앙부(P1)와 엣지부(P2)에 각각 대향하는 위치에 열전대(TC1과 TC2)가 배치되어 있다.

제2 아암(54)에는, 보트(26)에 삽입되었을 때에 보트(26)의 중앙부 슬롯의 웨이퍼(W)의 중앙부(P3)에 대향하는 위치에 열전대(TC3)가 배치되어 있다.

제3 아암(55)에는, 보트(26)에 삽입되었을 때에 보트(26)의 하부 슬롯의 웨이퍼(W)의 중앙부(P4)와 엣지부(P5)에 각각 대향하는 위치에 열전대(TC4와 TC5)가 배치되어 있다.

열전대(TC1 내지 TC5)는 각 온도 모니터 웨이퍼(보트 상부 슬롯 웨이퍼, 보트 중앙부 슬롯 웨이퍼, 보트 하부 슬롯 웨이퍼)(W)에 비접촉으로 근접하여 배치되어, 온도 측정 대상 웨이퍼(W)의 영역(P1 내지 P5)의 표면 온도를 거의 정확하게 측정 가능하다. 이들 열전대(TC)의 출력 신호선은, 셋업시에 제어부(100)의 I/O 포트(115)에 접속된다.

다음에, 열처리 장치(1)의 셋업 동작에 대해 도7과 도8의 흐름도를 참조하여 설명한다. 이 셋업 동작은, 각각의 열처리 장치(1)와 기준 장치와의 미묘한 차이 를 기초로 하는 열특성의 차를 구하여, 열모델 기억부(111)에 기억되어 있는 기준 열모델(M1)을 이 열처리 장치(1)에 고유의 교정 열모델(M2)로 교정하는 작업이다.

우선 조작자는, 덮개(21)를 강하시켜 회전 테이블(24) 상에 더미 웨이퍼(W)를 탑재한 보트(26)를 배치한다. 또한, 온도 측정 장치(51)를 측방으로부터 보트(26)에 삽입한다. 다음에, 덮개(21)를 상승시켜 보트(26)를 처리 용기(11) 내에 로드한다.

계속해서, 조작자는 조작 패널(121)로부터 기준 열모델(M1)의 교정 처리의 개시를 지시한다.

이 지시에 응답하여, 제어부(100)[그 CPU(116)]는 ROM(113)에 기억되어 있는 교정 처리용 프로그램에 따라서 동작을 개시한다.

우선 제어부(100)는, 밸브 개폐 제어부(125) 및 진공 펌프(126) 등을 제어하여 압력계(122)의 출력을 모니터하고, 처리 용기(11) 내를 소정 압력까지 감압한다(스텝 S11).

계속해서, 처리 용기(11) 내의 웨이퍼(W)의 영역(P1 내지 P5)의 온도를 셋업 레시피(R1)에 따라서 제1 온도(예를 들어, 400 ℃)로 설정한다(스텝 S12).

웨이퍼(W)의 온도가 안정된 시점에서, 열전대(TC1 내지 TC5)에서 각 온도 모니터 웨이퍼(W)의 중앙 및 주연부의 위치(P1 내지 P5)의 온도를 실측한다(스텝 S13). 한편, 기준 열모델(M1)을 이용하여 온도 모니터 웨이퍼(W)의 중앙 및 주연부의 위치(P1 내지 P5)의 온도를 예상한다(스텝 S14).

다음에, 실측치와 예상치를 대응시켜 RAM(114)에 기억한다(스텝 S15).

다음에, 셋업 레시피(R1)에서 설정되어 있는 모든 온도에 대한 처리가 종료되었는지 여부를 판단한다(스텝 S16). 종료되지 않은, 즉 설정되어 있지 않은 온도가 존재하는 경우에는(스텝 S16 ; 아니오) 스텝 S12로 복귀하여, 다음 설정 온도에 대해 동일한 처리를 반복한다.

한편, 셋업 레시피(R1)에서 설정되어 있는 모든 온도에 대한 처리가 종료된 경우에는(스텝 S16 ; 예), 도9에 나타낸 바와 같은 실측 온도와 예상 온도와의 대응표가 RAM(114) 상에 완성되어 있어, 처리는 스텝 S18로 진행한다.

스텝 S18에 있어서는, RAM(114) 상에 형성된 대응표를 기초로 하여 열전대(TC1 내지 TC5)에서 실측된 온도(TR1 내지 TR5)와 기준 열모델(M1)에 의해 예상한 온도(TP1 내지 TP5)를 각각 비교하여, 웨이퍼(W)의 온도의 보정치를 구한다.

보정치를 구하는 방법 자체는 임의이지만, 예를 들어 하기 [수학식 1]에 따라서 보정치를 구할 수 있다.

보정치(i) = 기준 열모델(M1)에 의한 예상치(TPi) - 실측치(TRi)

i : 온도의 예상 영역(P1 내지 P5)을 나타내는 1 내지 5의 값

또한, 보정치(i)는 고정치라도 좋고, 혹은 함수의 형식으로 되어 있어도 좋다. 예를 들어, 예상치(TPi) - 실측치(TRi)가 도9에 나타낸 바와 같이 변동된 경우에는, 예를 들어 최소 제곱법을 이용하여 이들을 대표하는 1차 함수[f(T)][T는 기준 열모델(M1)에 의한 예상 온도]를 구하고, 이를 보정치로 해도 좋다.

다음에, 기준 열모델(M1)을 교정한다(스텝 S19). 즉, [수학식 2]가 나타내는 값이 예상치가 되도록 기준 열모델(M1)을 보정한다.

예상 온도(i) = 기준 열모델(M1)에서 예상한 온도(i) - 보정치(i)

예를 들어, 보정치가 도10에 나타낸 바와 같은 함수[f(T)]로 표시되고, 기준 열모델(M1)에서 예상한 온도가 T0이라 하면, 예상 온도가 T0-[f(T0)]이 되도록 기준 열모델(M1)을 보정한다.

다음에, 처리 용기(11) 내의 상면 히터(32)와 하면 히터(33)의 표면 온도를 정확하게 예상할 수 있도록 기준 열모델(M1)을 보정한다(스텝 S20). 이 보정 동작을 도8을 참조하여 설명한다.

우선, 처리 용기(11) 내의 온도를 소정의 일정치(Tcons)로 유지하도록 제어하여 시스템이 안정되는 것을 기다린다. 다음에, 갱신 전의 기준 열모델(M1)을 이용하여 온도 센서(S4와 S5)의 온도를 예상한다. 또한, 온도 센서(S4와 S5)의 측정치를 구한다(스텝 S21).

다음에, 온도 센서(S4와 S5)의 온도의 예상치와 실측치를 비교하여 보정치를 [수학식 1]과 마찬가지로 하여 구한다(스텝 S22).

다음에, 상면 히터(32)에 대해서는 히터 제어기(123)를 포함한 시스템 모델로부터 상면 히터(32)의 표면 온도의 변화량(ΔTt)과 센서(S1 내지 S5)의 온도의 변화량(ΔTs1 내지 ΔTs5)과의 상관 관계를 구한다(스텝 S23).

즉, [수학식 4]를 성립시키는 행렬(Kt) [수학식 3]을 구한다.

다음에, 하면 히터(33)에 대해서는 히터 제어기(123)를 포함한 시스템 모델로부터 하면 히터(33)의 표면 온도의 변화량(ΔTb)과 센서(S1 내지 S5)의 온도의 변화량(ΔTs1 내지 ΔTs5)과의 상관 관계를 구한다(스텝 S23).

즉, [수학식 6]을 성립시키는 행렬(Kb) [수학식 5]를 구한다.

다음에, 이 상관 관계를 기준 열모델(M1)의 상면 히터(32)의 온도를 예상하는 부분과 하면 히터(33)의 온도를 예상하는 부분에 적용하여, [수학식 7]과 [수학식 8]로 나타낸 바와 같이 기준 열모델(M1)을 교정한다(스텝 S24).

이상에서, 기준 열모델(M1)을 이 장치용으로 교정(커스터마이즈)하는 처리가 종료된다. 로드된 보트(26) 등은 언로드된다.

커스터마이즈된 기준 열모델(M1), 즉 교정 열모델(M2)은 열모델 기억부(111)에 기억되고(스텝 S25), 이후의 웨이퍼(W)의 위치(P1 내지 P5)의 온도 및 상면 히터(32) 및 하면 히터(33)의 표면 온도의 예상에 사용된다.

셋업된 열처리 장치(1)에 의해 프로세스를 행하는 경우에는, 실행하는 프로세스에 따른 프로세스 레시피(R2)가 레시피 기억부(112)에 저장된다. 계속해서, 교정 열모델(M2)을 이용하여 웨이퍼(W) 및 상면·하면 히터(32, 33)의 온도를 예상하면서 프로세스를 진행시킨다. 이 때, 교정 열모델(M2)은 이 열처리 장치(1)용으로 교정된 것이므로, 정확하게 웨이퍼(W)나 히터(32, 33)의 온도를 예상할 수 있다. 또한, 프로세스의 결과가 허용 범위 이하의 레벨이 된 경우에는, 그 원인이 열에 의한 것인지 다른 요인에 의한 것이지를 쉽게 식별할 수 있다.

또한 본 발명은, 상기 실시 형태에 한정되지 않고 다양한 변형 및 응용이 가능하다. 예를 들어, 상면 히터(32) 및 하면 히터(33)의 온도를, 예를 들어 방사 온도계 등을 사용하여 측정하고, 기준 열모델(M1)에 의한 예상치와 방사 온도계에 의한 실측치를 기초로 하여 보정치를 구하고, 이 보정치로부터 예상 온도를 보정하도록 해도 좋다.

또한, 온도 예상용 온도 센서의 수나 배치 위치는 적절하게 변경 가능하며, 수는 5개에 한정되지 않고, 배치 위치는 처리 용기(11)의 내벽에 배치하는 등으로 해도 된다.

또한, 본 발명을 적용하는 열처리 장치(1)도 상기 실시 형태의 것에 한정되지 않아 임의로 변경 가능하고, 예를 들어 처리 용기(11)가 예를 들어 2중관 구조이거나 보트(26)에 수용할 수 있는 반도체 웨이퍼(W)의 수가 보다 대용량(예를 들어, 약 100매 내지 150매)이거나, 또는 보다 소용량(예를 들어, 15 내지 30매)이라도 좋다.

또한, 상기 실시 형태에서는 CVD 장치를 예로 들어 본 발명을 설명하였지만 처리의 종류는 임의이며, 본 발명은 CVD 장치에 한정되지 않고 산화 장치 및 에칭 장치 등의 다양한 배치식 열처리 장치에 적용 가능하다.

또한, 기기 구성이나 동작도 상기 실시 형태에 한정되지 않는다. 예를 들어, 상기 실시 형태에서는 측면 히터의 수를 3개, 내부 히터의 수를 2개로 하였지만 히터의 수나 배치는 임의이다. 또한 히터는, 전기 저항형인 것에 한정되지 않고, 램프 등이라도 좋다. 또한, 웨이퍼 등의 온도를 측정하기 위한 구성도 열전대에 한정되지 않고, 임의의 온도 센서를 적용 가능하다.

또한, 열모델이나 그 설계 방법도 미국 특허 제5,517,594호 공보에 개시된 모델이나 그 설계 방법에 한정되는 것은 아니며, 임의의 모델 및 임의의 설계 방법을 채용 가능하다.

또한, 상술한 교정 처리를 행하기 위한 컴퓨터 프로그램 중 적어도 일부를 CD-ROM이나 DVD-ROM 등의 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 저장하여 배포하고, I/O 보트(115)를 거쳐서 RAM(114)에 전송하여, 전송한 프로그램을 CPU(116)에서 실행함으로써 상술한 교정 처리를 실행하도록 해도 좋다. 또한, 프로그램을 네트워크를 거쳐서 I/O 보트(115)에 전송하도록 해도 좋다.

Claims

피처리체를 수용하는 처리 용기와 복수의 히터와 복수의 온도 센서를 구비하고, 상기 온도 센서의 출력으로부터 상기 처리 용기 내의 피처리체의 온도를 추정하기 위한 열모델을 기억하고, 상기 온도 센서의 출력으로부터 상기 열모델을 이용하여 상기 처리 용기 내의 피처리체의 온도를 예상하고, 예상한 온도를 기초로 하여 상기 히터를 제어함으로써 상기 피처리체에 열처리를 실시하는 열처리 장치의 교정 방법이며,

상기 히터를 구동하여 상기 처리 용기 내를 가열하는 공정과,

상기 처리 용기 내의 상기 피처리체의 온도를 측정하는 공정과,

측정한 상기 처리 용기 내의 온도와 상기 열모델을 이용하여 예상한 상기 피처리체의 온도를 비교하고, 실측치에 예상치가 실질적으로 일치하도록 상기 열모델을 교정하는 공정을 구비하고,

상기 교정하는 공정은 측정한 온도와 예상한 온도를 기초로 하여 상기 예상치의 보정치를 구하고, 예상치를 상기 보정치에 의해 보정하도록 상기 열모델을 교정하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치의 교정 방법.
제1항에 있어서, 상기 처리 용기는 복수의 피처리체를 수용 가능하고,

상기 온도 측정 공정은 상기 피처리체에 인접하는 온도 센서를 배치하는 공정과,

배치한 온도 센서에 의해 상기 피처리체의 온도를 측정하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치의 교정 방법.
삭제
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가열 공정은 상기 히터를 구동하여 상기 처리 용기 내를 복수의 설정 온도로 차례로 설정하고,

상기 온도 측정 공정은 각 설정 온도에서의 상기 처리 용기 내의 온도를 측정하고,

피처리체의 온도를 예상하는 공정은 각 설정 온도에서의 상기 처리 용기 내의 온도를 예상하고,

상기 교정 공정은 측정한 복수의 온도와 예상한 복수의 온도를 기초로 하여 상기 예상치의 보정치를 구하고, 상기 열모델의 예상치를 상기 보정치에 의해 보정하도록 상기 열모델을 교정하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치의 교정 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 열모델은 상기 히터의 온도와 각 온도 센서의 온도를 예상하는 기능을 구비하고,

상기 교정 공정은 상기 히터의 온도 변화량과 상기 온도 센서의 측정 온도의 변화량과의 관계와, 상기 히터에 가장 근접한 온도 센서의 열모델에 의한 예상 온도와 상기 온도 센서의 실측 온도와의 차를 기초로 하여 보정치를 구하고, 예상치를 보정치를 기초로 하여 보정하도록 상기 열모델을 교정하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치의 교정 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 처리 용기 내에는 내부 히터가 배치되어 있고,

상기 열모델은 상기 내부 히터의 온도를 예상하는 기능을 구비하고,

상기 교정 공정은 상기 내부 히터의 온도의 변화량과 상기 온도 센서의 측정 온도의 변화량과의 관계와, 상기 내부 히터에 가장 근접한 온도 센서의 열모델에 의한 예상 온도와 상기 온도 센서의 실측 온도와의 차를 기초로 하여 보정치를 구하고, 예상치를 보정치를 기초로 하여 보정하도록 상기 열모델을 교정하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치의 교정 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 처리 용기 내에 수용되는 피처리체의 상부와 하부에는 각각 제1 및 제2 히터가 배치되어 있고,

상기 열모델은 상기 제1 및 제2 히터의 온도를 예상하는 기능을 구비하고,

상기 교정 공정은 상기 제1 히터의 온도의 변화량과 상기 온도 센서의 측정 온도의 변화량의 관계와, 상기 제1 히터에 가장 근접한 온도 센서의 열모델에 의한 예상 온도와 상기 온도 센서의 실측 온도와의 차를 기초로 하여 제1 보정치를 구하고, 상기 제2 히터의 온도의 변화량과 상기 온도 센서의 측정 온도의 변화량과의 관계와, 상기 제2 히터에 가장 근접한 온도 센서의 열모델에 의한 예상 온도와 상기 온도 센서의 실측 온도와의 차를 기초로 하여 제2 보정치를 구하고,

상기 열모델에 의한 예상치를 제1 및 제2 보정치를 기초로 하여 보정하도록 상기 열모델을 교정하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치의 교정 방법.
제1항 또는 제2항에 기재된 열처리 장치의 교정 방법에 의해 교정된 열모델을 이용하여 처리 용기 내의 온도를 예상하고, 예상한 온도를 기초로 하여 피처리체에 열처리를 실시하는 공정을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
피처리체를 수용하는 처리 용기와 복수의 히터와 복수의 온도 센서를 구비하고, 상기 온도 센서의 출력으로부터 상기 처리 용기 내의 피처리체의 온도를 추정하기 위한 열모델을 기억하고, 상기 온도 센서의 출력으로부터 상기 열모델을 이용하여 상기 처리 용기 내의 피처리체의 온도를 예상하고, 예상한 온도를 기초로 하여 상기 히터를 제어함으로써 상기 피처리체에 열처리를 실시하는 열처리 장치이며,

상기 히터를 구동하여 상기 처리 용기 내를 가열하는 수단과,

상기 처리 용기 내의 상기 피처리체의 온도를 측정하는 수단과,

측정한 상기 처리 용기 내의 온도와 상기 열모델을 이용하여 예상한 상기 피처리체의 온도를 비교하여, 실측치에 예상치가 실질적으로 일치하도록 상기 열모델을 교정하는 수단을 구비하고,

상기 교정하는 수단은 측정한 온도와 예상한 온도를 기초로 하여 상기 예상치의 보정치를 구하고, 예상치를 상기 보정치에 의해 보정하도록 상기 열모델을 교정하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.