KR101654631B1 - 열처리 장치 및 열처리 장치의 제어 방법 - Google Patents

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타카노리 사이토
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타츠야 야마구치
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

(과제) 소망하는 열처리 조건에 따라서, 최적의 온도 특성을 실현 가능한, 열처리 장치를 제공하는 것이다.
(해결 수단) 피(被)처리체를 승온하거나 또는 정온(定溫)에서 열처리하는 열처리 장치로서, 상기 피처리체를 수납하는 처리실과, 상기 처리실에 수납된 상기 피처리체를 가열하기 위한 가열부와, 미리 작성된 2개 또는 그 이상의 온도 제어 모델을 기억하는 기억부와, 상기 가열부의 온도를 제어하는 온도 제어부와, 상기 온도 제어부 및 상기 기억부를 제어하는 장치 제어부를 갖고, 상기 장치 제어부는, 소망하는 열처리 조건에 따라서, 상기 2개 또는 그 이상의 온도 제어 모델로부터 온도 제어 모델을 선정하고, 상기 온도 제어부는, 상기의 선정된 온도 제어 모델을 상기 기억부로부터 판독하여, 상기 가열부를 제어하는 열처리 장치.

Description

열처리 장치 및 열처리 장치의 제어 방법{HEAT TREATMENT APPARATUS AND METHOD OF CONTROLLING THE SAME}
본 발명은 열처리 장치 및 열처리 장치의 제어 방법에 관한 것이다.
반도체 웨이퍼에 대하여 성막 처리, 산화 처리, 확산 처리와 같은 열처리를 행하는 열처리 장치로서는, 배치식(batch type)의 열처리 장치가 알려져 있다.
최근, 반도체 웨이퍼 사이즈의 확대 및 집적 회로의 가공 치수의 축소에 수반하여, 각종 열처리에 있어서, 보다 정밀한 열제어가 요구되고 있다. 배치식의 열처리 장치에서의 열제어에 필요시 되는 요건으로서는, 램프 중의 온도 균일성이 높은 램프 레이트, 온도의 오버슈트(overshoot)가 거의 존재하지 않고, 단시간에 목표 온도를 달성하는 온도 안정성 등을 들 수 있다.
배치식의 열처리 장치에서의 열제어는, 미리 처리 레시피에 설정된 1모델에 의해 행해지고 있다. 1모델 중에는, 온도대마다 분할된 서브 모델이 존재하고, 설정 온도와 액츄얼 온도에 의해, 사용하는 서브 모델을 전환하고 있다(예를 들면, 특허문헌 1 및 특허문헌 2).
일본공개특허공보 제2008-218558호 일본공개특허공보 제2009-081260호
그러나, 소망하는 열처리 조건에 따라 최적의 모델이 상이하기 때문에, 온도대만에서의 모델의 전환으로는, 최적의 온도 특성을 실현할 수 없다는 문제점이 있었다.
그래서, 본 발명에 있어서는, 소망하는 열처리 조건에 따라서, 최적의 온도 특성을 실현 가능한 열처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
피(被)처리체를 승온 또는 강온하거나 또는 정온(定溫)에서 열처리하는 열처리 장치로서,
상기 피처리체를 수납하는 처리실과,
상기 처리실에 수납된 상기 피처리체를 가열하기 위한 가열부와,
미리 작성된 2개 또는 그 이상의 온도 제어 모델을 기억하는 기억부와,
상기 가열부의 온도를 제어하는 온도 제어부와,
상기 온도 제어부 및 상기 기억부를 제어하는 장치 제어부를 갖고,
상기 장치 제어부는, 소망하는 열처리 조건에 따라서, 상기 2개 또는 그 이상의 온도 제어 모델로부터 온도 제어 모델을 선정하고,
상기 온도 제어부는, 상기 선정된 온도 제어 모델을 상기 기억부로부터 판독하여, 상기 가열부를 제어하는 열처리 장치.
본 발명에 의하면, 소망하는 열처리 조건에 따라서, 최적의 온도 특성을 실현 가능한, 열처리 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 열처리 장치의 구성예를 나타내는 개략도이다.
도 2는 장치 제어부 및 온도 제어부의 구성예를 설명하기 위한 개략도이다.
도 3은 모델을 설명하기 위한 도면으로서, 도 3(a)는 반응관 내의 존의 일 예이고, 도 3(b)는 존 별의 목표 온도 궤도의 예를 나타내는 도면이다.
도 4는 승온 스텝시에 모델을 전환하는 실시 형태에 대해서 설명하기 위한 개략도이다.
도 5는 승온 스텝시에 모델을 전환하는 실시 형태에 대해서 설명하기 위한 개략도이다.
도 6은 누적 막두께에 기초하여 모델을 전환하는 실시 형태에 대해서 설명하기 위한 개략도이다.
도 7은 누적 막두께에 기초하여 적절한 모델을 선정하는 실시 형태에 대해서 설명하기 위한 개략도이다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태에 대해서 설명한다.
[열처리 장치]
우선, 본 발명에 따른 열처리 장치의 구성예에 대해서 도 1을 참조하여 설명한다. 도 1에, 본 발명의 열처리 장치의 구성예를 나타내는 개략도를 나타낸다. 그러나, 본 발명에 따른 열처리 장치는, 피처리체를 수납하는 처리실과, 처리실에 수납된 피처리체를 가열하기 위한 가열부와, 미리 작성된 2개 또는 그 이상의 온도 제어 모델을 기억하는 기억부와, 가열부의 온도를 제어하는 온도 제어부와, 온도 제어부 및 기억부를 제어하는 장치 제어부를 갖고, 후술하는 열처리 장치의 제어 방법을 실행할 수 있다면, 도 1의 구성으로 한정되지 않는다.
또한, 도 1에서는, 피처리체로서 반도체 웨이퍼(W)(이후, 웨이퍼(W)라고 함)를 처리하는 열처리 장치에 대해서 설명하지만, 본 발명은 이 점에 있어서 한정되지 않는다.
도 1에 나타내는 열처리 장치(1)는, 예를 들면 석영으로 만들어진 내관(2a) 및 외관(2b)으로 이루어지는 2중관 구조의 반응관(2)(특허 청구의 범위에 있어서의, 처리실에 대응)을 구비한다. 반응관(2)의 하측에는, 예를 들면 금속으로 이루어지는 통 형상의 매니폴드(21)가 설치되어 있다. 내관(2a)은, 상단(上端)이 개구되어 있고, 매니폴드(21)에 지지되어 있다. 외관(2b)은, 천정이 있도록 형성되고, 하단이 매니폴드(21) 상태에 기밀하게 접합된 구성으로 되어 있다.
반응관(2) 내에는, 다수매, 예를 들면 150매의 웨이퍼(W)가, 수평인 상태에서, 각각의 상하에 간격을 두고 웨이퍼 보유지지구(保持具)인 웨이퍼 보트(23)에 선반 형상으로 배치되어 있다. 웨이퍼 보트(23)는, 덮개체(24) 위에, 단열체인 보온통(25)을 통하여 보유지지되어 있다.
반응관(2)의 주위에는, 예를 들면 저항체로 이루어지는 히터(3)(특허 청구의 범위에 있어서의, 가열부에 대응)가 설치되어 있다. 히터(3)는, 1단 또는 복수단, 예를 들면 5단으로 배치된 히터(31∼35)로 구성된다. 히터(31∼35)에는, 각각의 히터에 대응하여 온도 제어부(36∼40)가 설치되고, 온도 제어부에 의한 제어를 통하여, 각각의 히터는 독립적으로 전력이 공급된다. 또한, 후술하는 본 발명의 열처리 장치의 제어 방법에서는, 간단하게 하기 위해, 일 예로서 1단의 히터만이 존재하고, 이것을 제어하는 예에 대해서 설명하지만, 복수단의 히터를 사용하는 경우는, 각각의 히터에 대하여, 후술하는 열처리 장치의 제어 방법을 적용할 수 있다.
매니폴드(21)에는, 내관(2a) 내에 처리 가스 등의 가스를 공급하기 위한, 가스 공급관이 설치되어 있다. 도 1에서는, 일 예로서, 3개의 가스 공급관(41, 42 및 43)을 나타내고 있지만, 소망하는 열처리 조건 등에 따라, 가스 공급관의 개수를 변경할 수 있다. 각각의 가스 공급관(41, 42 및 43)에는, 가스 유량을 조정하기 위한 매스 플로우 컨트롤러(MFC) 등의 유량 조정부(44, 45 및 46)를 통하여, 가스가 공급된다. 또한, 처리 가스의 종류 등은, 소망하는 열처리 조건에 따라서, 당업자가 적절히 선택할 수 있는 것이다.
또한, 매니폴드(21)에는, 내관(2a)과 외관(2b)과의 극간으로부터 배기하도록 배기관(27)이 접속되어 있다. 배기관(27)은, 예를 들면 도시하지 않는 진공 펌프에 접속되어 있다. 배기관(27)에는, 반응관(2) 내의 압력을 조정하기 위한, 콤비네이션 밸브, 버터플라이 밸브, 밸브 구동부 등을 포함하는 압력 조정부(28)가 설치되어 있다.
내관(2a)의 내면에는, 수직 방향을 따라서, 예를 들면 5개의 열전대 Sin이 배치되어 있다. 열전대 Sin은, 반도체 웨이퍼(W)의 금속 오염을 방지하기 위해, 예를 들면 석영 파이프 등에 의해 보호되는 것이 바람직하다.
외관(2b)의 외면에는, 수직 방향을 따라서, 예를 들면 5개의 열전대 Sout이 배치되어 있다.
본 발명의 실시 형태에 의한 열처리 장치(1)는, 적어도 온도 제어부(36∼40) 및 히터(3)를 제어하는 장치 제어부(100)를 구비하고 있다. 또한, 장치 제어부(100)는, 열전대 Sin 및 열전대 Sout의 검출 신호를 취입하고, 온도 제어부(36∼40), 압력 조정부(28), 유량 조정부(44∼46)로 제어 신호를 출력한다. 이러한 구성으로 함으로써, 장치 제어부(100)는, 반응관(2) 내의 처리 분위기의 온도, 가스 유량, 압력과 같은 처리 파라미터를 제어할 수 있다.
[열처리 장치의 제어 방법]
다음으로, 도 2를 참조하여, 장치 제어부(100) 및 온도 제어부(36)의 구성예를 설명함으로써, 본 발명의 실시 형태에 의한 제어 방법에 대해서 설명한다. 도 2에, 장치 제어부(100) 및 온도 제어부(36)의 구성예를 설명하기 위한 개략도를 나타낸다. 또한, 여기에서는 설명을 위해, 온도 제어부(36)에 대해서만 설명하지만, 온도 제어부가 복수 있는 경우도, 각각의 온도 제어부를 동일한 구성으로 할 수 있다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 장치 제어부(100)는, 모델 기억부(111)와, 레시피 기억부(112)와, ROM(113)과, RAM(114)과, I/O 포트(115)와, CPU(116)와, 이들을 상호 접속하는 버스(117)로 구성된다. 또한, 온도 제어부(36)는, 모델 기억부(121)와, ROM(123)과, RAM(124)과, I/O 포트(125)와, CPU(126)와, 이들을 상호 접속하는 버스(127)로 구성된다. 또한, 도 2에 있어서는, 장치 제어부(100)와 온도 제어부(36)는, I/O 포트를 통하여 접속되는 구성을 나타내고 있지만, 다른 전기 통신 회선을 통하여 접속되는 구성이라도 좋다.
모델 기억부(111)는, 열전대 Sin 및 Sout의 측정 온도에 관한 출력 신호에 기초하여, 히터(31∼35)에 공급해야 할 전류를 지시하도록 설계된 모델(수학 모델; 고차ㆍ다차원 함수)이, 적어도 2개 이상 기억되어 있다. 모델은, 열전대 Sin 및 Sout의 측정 온도에 관한 출력 신호로부터 웨이퍼 보트(23)에 올려놓여져 있는 웨이퍼(W)의 온도를 추정하고, 추정된 온도를 목표값으로 설정하도록 설계되어도 좋고, 열전대 Sin(및/또는 Sout)의 출력 신호(즉, 측정 온도)를, 목표값으로 설정하도록 설계되어도 좋다. 또한, 모델의 설계 방법에 대해서는 후술한다.
레시피 기억부(112)에는, 열처리 장치(1)에서 실행되는 열처리에 따라서, 제어 순서를 정하는 레시피가 복수 종류 기억되어 있다. 통상, 레시피는, 개개의 열처리 장치의 특성에 따라서, 면 사이 및 면 내에서의 열처리가 균일(예를 들면, 성막 처리에 있어서는 막두께가 균일)해지도록, 도 1에 나타낸 바와 같은, 반응관(2) 내를 웨이퍼(W)의 배열 방향을 복수의 존으로 나누고, 존마다 조정된 레시피가 준비된다. 조정된 레시피는, 가스의 유량의 차와 같은, 다른 요인에 의한 막두께의 불균일을 고려하여, 당업자가 적절히 조정할 수 있다. 또한, 각 레시피는, 통상, 온도 레시피를 포함한다.
ROM(113, 123)은, EEPROM, 플래쉬 메모리, 하드 디스크 등으로 구성되고, 각각 CPU(116, 126)의 동작 프로그램 등을 기억하는 기억 매체이다. RAM(114, 124)은, 각각 CPU(116, 126)의 워크 에어리어 등으로서 기능한다. I/O 포트(115)는, 열전대 Sin 및 Sout의 측정 신호를 CPU(116)에 공급함과 함께, CPU(116)가 출력하는 제어 신호를 각 부(예를 들면, 온도 제어부(36))로 출력한다. 또한, I/O 포트(115, 125)에는, 각각 조작 패널(118, 128)이 접속되어 있어도 좋다. 버스(117, 127)는 각 부의 사이에서 정보를 전달한다.
본 실시 형태의 열처리 장치의 제어 방법에 있어서, 우선 미리 2개 또는 그 이상의 모델을 설계하고, 모델 기억부(111)에 기억시켜 둔다. 또한, 모델의 설계 방법에 대해서는 후술하지만, 열처리의 스텝(승온, 강온(降溫), 리커버리(recovery) 또는 안정 스텝); 프로세스 종류(온도, 압력 또는 가스 유량); 웨이퍼의 레이아웃(웨이퍼의 처리 매수 및 배치); 성막 처리에 있어서의 가스의 종류; 웨이퍼를 반입할 때의 로드 스피드나 보트의 위치; 누적 막두께; 에 따라서, 2개 또는 그 이상의 모델을 작성해 두는 것이 바람직하다.
레시피가 결정된 후, 장치 제어부(100)는, 모델 기억부(111)에 기억되어 있는 모델 중으로부터, 그 레시피의 각 스텝에 대응한 적절한 모델을 선정한다. 온도 제어부(36)는, 선정된 모델을 I/O 포트를 통하여 다운로드하고, 모델 기억부(121)에 격납한다.
장치 제어부의 CPU(116)는, ROM(113)에 기억된 후술의 제어 방법에 관한 제어 프로그램을 실행하고, 조작 패널(118)로부터의 지시에 따라, 레시피 기억부(112)에 기억되어 있는 레시피를 따라서, 온도 제어부(36)(및 히터(3))의 동작을 제어한다. 보다 구체적으로는, CPU(116)는 레시피 기억부(112)에 기억되어 있는 복수의 레시피 중으로부터 해당하는 것을 선택하여 판독한다. 그 후 CPU(126)는, 선택된 레시피에 따라서, 모델 기억부(111)에 기억되어 있는 복수의 모델 중으로부터 해당하는 것을 선택하여 다운로드하고, 모델 기억부(121)에 기억한다. 그리고, CPU(116)는 레시피에 따라 처리 동작을 실행한다. 이때, 열전대 Sin 및 Sout으로부터의 측정값을 취입하여, 웨이퍼의 온도를 시시각각 추정하여, 선택한 레시피에 포함되어 있는 온도 레시피가 지시하는 값과 이 추정값이 일치하도록, 온도 제어부(36(및 37∼40))를 제어한다.
여기에서는, 미리 작성된 레시피에 대하여, 열처리를 실행하는 구성에 대해서 서술했지만, 유저가 열처리의 스텝(승온, 강온, 리커버리 또는 안정 스텝); 프로세스 종류(온도, 압력 또는 가스 유량); 웨이퍼의 레이아웃(웨이퍼의 처리 매수 및 배치); 성막 처리에 있어서의 가스의 종류; 웨이퍼를 반입할 때의 로드 스피드나 보트의 위치; 누적 막두께; 등의 조건에 대해서, 조작 패널(118(또는 128))을 통하여 입력하고, 입력된 조건에 대하여, 장치 제어부(100)가 최적의 모델을 선정하는 구성이라도 좋다.
본 실시 형태에 의한 열처리 장치에서는, 장치 제어부(100) 내에, 열처리의 스텝(승온, 강온, 리커버리 또는 안정 스텝); 프로세스 종류(온도, 압력 또는 가스 유량); 웨이퍼의 레이아웃(웨이퍼의 처리 매수 및 배치); 성막 처리에 있어서의 가스의 종류; 웨이퍼를 반입할 때의 로드 스피드나 보트의 위치; 누적 막두께; 에 따른 복수의 모델이 미리 준비되어 있고, 온도 제어부(36)는, 최적의 모델을 다운로드할 수 있다. 이러한 구성으로 함으로써, 장치 제어부(100)는, 레시피에 따른 적응 제어에 의해, 적절히 열처리(예를 들면, 성막 처리)를 행할 수 있다. 그 때문에, 본 발명의 열처리 장치는, 열처리의 스텝(승온, 강온, 리커버리 또는 안정 스텝); 프로세스 종류(온도, 압력 또는 가스 유량); 웨이퍼의 레이아웃(웨이퍼의 처리 매수 및 배치); 성막 처리에 있어서의 가스의 종류; 웨이퍼를 반입할 때의 로드 스피드나 보트의 위치; 등의, 여러 가지 다양한 조건에 따라서, 최적의 모델로 열처리를 행할 수 있다.
또한, 성막 처리를 행하는 열처리 장치는, 통상 처리 회수가 증가함에 따라, 로(furnace) 내벽면에 부착하는 막두께가 누적된다. 즉, 동일한 프로세스 성막 두께 조건으로 온도 제어한 경우에 있어서도, 누적된 막두께가 클수록, 로 내 온도가 저하된다. 그 결과, 배치 간 균일성이 저하되는 경우가 있다. 그래서, 본 발명의 열처리 장치에서는, ROM(113 또는 123) 등에, 로 내벽면에 부착하는 누적 막두께와, 막두께와 온도의 관계를 기억할 수 있는 구성으로 하는 것이 바람직하다. 이러한 구성으로 함으로써, 온도 제어부는 누적 막두께에 따라서, 모델 기억부(111)로부터 최적의 모델을 다운로드하여 처리를 실행할 수 있다. 그 때문에, 배치 처리 회수가 증가하여, 로 내벽면에 부착하는 막두께가 누적되어도, 웨이퍼면 내에 양호하게 성막할 수 있다. 또한, 복수 배치마다, 복수 카세트마다에서의 웨이퍼 균일성을 향상할 수 있다. 또한, 누적 막두께의 정보는, 로 내벽면에 부착한 막두께와 보정 온도의 관계를 미리 기억해 두고, 레시피의 진행에 따라, 그 레시피에 의해 부착하는 막두께를 누적함으로써 얻어진다. 이 누적 막두께와 보정 온도에 기초하여, 장치 제어부는 히터를 제어한다. 누적 막두께를 구할 때 있어서, 각 레시피에 의해 부착하는 막두께를 기억시켜 두고, 각 레시피의 진행마다 그의 막두께를 가산해 나가는 방법이나, 미리 더미 웨이퍼를 병용하여 열처리를 행하고, 막두께를 측정함으로써 누적 막두께를 추정하는 방법 등을 사용하는 것이 바람직하다.
CPU(116)는 통상의 열처리 장치의 제어와 동일하게, 유량 컨트롤러(44∼46)로의 지시, 압력 조정부(28)로의 지시 등도 행한다.
본 발명의 열처리 장치에서, 온도 제어부는, 장치 제어부 내에 기억된 다수의 모델 중으로부터, 여러 가지의 프로세스 조건이나 누적 막두께에 따른 최적의 모델을, 다운로드하여 처리를 실행할 수 있다. 그 때문에, 더미 웨이퍼 등을 사용하지 않아도, 각 웨이퍼의 온도를 적절히 제어할 수 있다. 또한, 더미 웨이퍼를 사용하는 경우에 있어서도, 고가의 더미 웨이퍼의 사용 매수를 종래보다도 줄일 수 있다. 따라서, 프로세스 조건이나 누적 막두께에 관계없이, 안정된 열처리를 행할 수 있다.
본 실시의 형태에서는 설명의 간략화를 위해, 1개의 온도 제어부가 존재하는 경우에 대해서 설명했지만, 면 사이 및 면 내에서 열처리가 균일해지도록, 레시피가 복수의 존마다 조정할 수 있는 구성이라도 좋다.
[모델 및 레시피의 설계 방법]
다음으로, 모델과 레시피의 설계 방법에 대해서 설명한다. 모델로서는, 열전대 Sin 및 Sout의 출력(측정값) 및 히터(도 1에 있어서는 히터(31∼35))로의 공급 전력 등으로부터 웨이퍼(W)의 온도를 추정하고, 추정된 온도를 목적 온도에 근접시키기 위해, 히터에 공급하는 전력을 특정 가능한 수학 모델이면, 임의의 모델(다변수, 다차원, 다 출력 함수)을 이용 가능하다. 구체적으로는, 예를 들면 미국 특허 5,517,594호 공보에 개시된 모델을 사용할 수 있다.
이하, 미국 특허 5,517,594호 공보에 개시된 모델을 예로 설명하지만, 본 발명의 이 모델의 설계 방법으로 한정되지 않는다. 도 3에, 모델을 설명하기 위한 도면으로서, 도 3(a)는 반응관 내의 존의 일 예를 나타내고, 도 3(b)는 존 별 목표 온도 궤도의 예를 나타낸다.
우선, 도 1에서 나타낸 열처리 장치에, 중심과 중심으로부터 예를 들면 6㎜ 떨어진 위치에 열전대 Swc와 Swe를 조입(incorporation)한 5매의 테스트용 웨이퍼를 준비한다. 다음으로, 이들 5매의 테스트용 웨이퍼가, 도 3(a)의 5개의 존에 1개씩 위치하도록, 테스트용 웨이퍼와 통상의 웨이퍼를 웨이퍼 보트(23)에 올려놓는다. 다음으로, 이 웨이퍼 보트(23)를 반응관(2)에 로드한다. 다음으로, 히터(31∼35)에 고주파 대역의 신호 및 저주파 대역의 신호를 인가하고, 열전대 Sin, Sout의 출력, 테스트용 웨이퍼 상의 열전대 Swc와 Swe의 출력(웨이퍼 온도), 히터에 공급되는 전류 등의 데이터를, 예를 들면 1∼5초의 샘플링 주기로 취득한다.
다음으로, 일정한 온도 범위, 예를 들면 400℃∼1000℃의 범위에서, 100℃ 간격으로 온도 대역을 설정한다. 취득한 데이터로부터, 각 온도 대역에 대해서, 수식 1에 나타내는 ARX(자동 회귀) 모델을 설정한다.
[수 1]
Figure 112013002573128-pat00001
수식 1에 있어서,
yt: 시점 t에서의 이하의 내용을 성분으로 하는 p행 1열의 벡터 내용: 열전대 Sin의 출력의 변동량(이 예에서는 5개의 열전대 Sin이 존재하기 때문에, 5성분), 열전대 Sout의 출력의 변동량(이 예에서는 5개의 열전대 Sout이 존재하기 때문에, 5성분), 웨이퍼의 중심부에 세트한 열전대 Swc의 출력의 변동량(이 예에서는 5개), 웨이퍼의 주연부에 세트한 열전대 Swe의 출력의 변동량(이 예에서는 5개). 따라서, 이 예에서 yt는 20행 1열의 벡터가 된다.
또한, 수식 1에 있어서,
ut: 시점 t에서의 히터 전력의 변동량을 성분으로 하는 m행 1열의 벡터(이 예에서는, 히터가 5대이기 때문에 5행 1열);
et: 화이트 노이즈를 성분으로 하는 m행 1열의 벡터;
n: 지연(예를 들면 8);
AA1∼AAn: p행 p열의 행렬(이 예에서는, 20행 20열);
BB1∼BBn: p행 m열의 행렬(이 예에서는, 20행 5열); 이다.
여기에서, 각 계수 AA1∼AAn과 BB1∼BBn을, 최소 2승법 등을 이용하여 결정한다.
이 ARX 모델 관계를 상태 공간법에 적용하면, 그 기본 방정식은 하기의 수식 2와 같이 나타난다.
[수 2]
Figure 112013002573128-pat00002
수식 2에 있어서, x는 상태 변수, K는 칼만 필터(Kalman filter)의 피드백 게인, A, B 및 C는 행렬이다.
실제의 성막시의 처리 속도를 향상하기 위해, 통상 차수를 10차 정도까지 저차원화하고, 수식 2로부터 온도 대역마다 수식 모델을 작성한다.
이렇게 하여, 온도 대역마다, 입력(Sin 및 Sout, 및 히터로의 전력(P))으로부터, 웨이퍼의 온도를 유도하는 수식 3을 유도할 수 있다.
[수 3]
Figure 112013002573128-pat00003
다음으로, 재차 테스트용 웨이퍼를 처리하고, 수식 3에 기초하여 추정된 웨이퍼 온도(Tmodel)와 실측값(Twafer)을 비교하여 모델을 튜닝한다. 튜닝 동작은, 필요에 따라서 복수회 반복된다.
한편, CPU(116)의 동작 프로그램에 관해서는, 온도의 설정값으로부터 추정한 웨이퍼 온도의 변동의 시간 평균을 최소화하도록 동작을 설정한다.
또한, 성막 처리의 종류에 따라서, 각 존 내에서 균일한 성막이 가능해지는 바와 같은 온도 목표 궤도(Ttraj(t)), 즉 온도 레시피를 설계한다. 계속해서, 5개의 존이 모두 이 온도 목표 궤도를 추종하도록 제어를 행하여 테스트적으로 성막 처리를 실행한다. 처리 후, 성막된 막의 두께를 측정하여, 막두께의 불균일 등을 체크한다. 예를 들면, 상단의 웨이퍼의 막두께가 하단의 웨이퍼의 막두께보다도 작은 경우, 직접적인 원인은 불명해도, 상단의 온도를 상대적으로 상승시킴으로써, 막두께를 거의 동일하게 할 수 있다. 그래서, 최소 2승법 등을 이용하여, 불균일이 가장 작아지도록, 온도 목표 궤도(Ttraj(t))를 수정한다.
전술한 바와 같이, 본 실시 형태의 열처리 장치의 실기(實機)로 평가를 행함으로써, 웨이퍼의 온도 추정 및 웨이퍼 온도를 목표 온도로 하기 위한 출력을 정의하는 모델과, 레시피가 각각 설정되어, 모델 기억부(111)와 레시피 기억부(112)에 기억된다.
또한, 여기에서는, 웨이퍼의 레이아웃(웨이퍼의 처리 매수 및 배치)에 의해, 최적의 모델을 설계하는 방법에 대해서 서술했다. 그러나, 모델은,
열처리의 스텝(승온, 강온, 리커버리 또는 안정 스텝);
프로세스 종류(온도, 압력 또는 가스 유량);
웨이퍼의 레이아웃(웨이퍼의 처리 매수 및 배치);
성막 처리에 있어서의 가스의 종류;
웨이퍼를 반입할 때의 로드 스피드나 보트의 위치;
누적 막두께;
등에 따라, 최적의 모델이 상이하다. 그 때문에, 미리 전술의 파라미터에 따라서, 전술과 동일한 방법에 의해, 복수의 모델을 작성하고, 본 실시 형태의 열처리 장치의 실기로 평가를 행한 후, 장치 제어부(100)의 모델 기억부(111)에 기억시켜 두는 것이 바람직하다. 그러한 구성으로 함으로써, 온도 제어부(36)는, 소망하는 레시피에 따라서, 모델 기억부(111)로부터 최적의 모델을 다운로드하여, 처리를 행할 수 있기 때문에, 프로세스 조건이나 누적 막두께에 관계없이, 안정된 열처리를 행할 수 있다.
또한, 작성된 모델은, 모델의 특성에 따라서, 승온 중시의 모델과, 안정 중시의 모델로 분류하여 모델 기억부(111)에 기억시켜 두는 것이 바람직하다. 구체적으로, 작성된 기본 모델을 승온 스텝을 갖는 레시피로 평가하고, 승온시의 온도 제어 특성을 참고로, 모델의 파라미터(계수 AA1∼AAn과 BB1∼BBn)를 조정(즉, 모델을 튜닝)하여, 얻어진 모델을 승온 중시의 모델로 한다. 또한, 작성된 기본 모델을, 안정 스텝을 갖는 레시피로 평가하고, 안정시의 온도 제어 특성을 참고로, 모델의 파라미터를 튜닝하여, 얻어진 모델을 안정 중시의 모델로 한다. 또한, 모델의 튜닝의 방법은 전술한 방법과 동일하다.
또한, 전술한 실시 형태에 있어서, 모델을, 열전대 Sin 및 Sout의 측정 온도에 관한 출력 신호로부터 웨이퍼 보트(23)에 올려놓여져 있는 웨이퍼(W)의 온도를 추정하고, 추정된 온도를 목표값으로 설정하도록 설계하는 예에 대해서 서술했지만, 열전대 Sin(및/또는 Sout)의 출력 신호(즉, 측정 온도)를, 목표값으로 설정하도록 설계해도 좋다.
[제1 실시 형태]
다음으로, 본 발명의 제1 실시 형태에 대해서 설명한다. 전술한 바와 같이, 본 발명의 열처리 장치의 제어 방법에서는, 열처리의 스텝(승온, 강온, 리커버리 또는 안정 스텝); 프로세스 종류(온도, 압력 또는 가스 유량); 웨이퍼의 레이아웃(웨이퍼의 처리 매수 및 배치); 성막 처리에 있어서의 가스의 종류; 웨이퍼를 반입할 때의 로드 스피드나 보트의 위치; 누적 막두께; 등에 따라서, 최적의 모델이 상이하다. 그래서, 본 실시의 형태에서는, 일 예로서 열처리의 스텝(제1 설정 온도로부터 제2 설정 온도로의 승온 스텝)에 따라서 모델을 전환하는 실시 형태에 대해서 설명한다.
도 4에, 승온 스텝시에 모델을 전환하는 실시 형태에 대해서 설명하기 위한 개략도를 나타낸다. 장치 제어부(100)의 모델 기억부(111)에는, 2개 또는 그 이상의 모델이 미리 기억되어 있다. 또한, 장치 제어부(100)의 ROM(113)에는 모델 전환의 조건 테이블이 기억되어 있다. 조건 테이블로서는, 일 예로서 도 4에 나타내는 바와 같이, 어느 온도역에 대하여, 적어도 승온 중시의 모델과, 안정 중시의 모델이 설정되어 있다. 도 4에서는, 조건 테이블의 온도역 폭이 100℃가 되는 실시 형태에 대해서 도시되어 있지만, 본 발명은 이 점에 있어서 한정되지 않는다.
장치 제어부(100)(또는 온도 제어부(36))의 ROM(113(또는 ROM(123))에는, 전술의 모델의 설계 방법에서 서술된 바와 같은 방법으로 추정된, 반응관(2) 내의 내부 온도 정보 또는 당해 내부 온도 정보의 로그가 기록되어 있다. 또한, 장치 제어부(100)(또는 온도 제어부(36))의 ROM(113(또는 ROM(123))에는, 설정 온도 정보가 기록되어 있다.
장치 제어부(100)는, 이 모델 전환의 조건 테이블과, 내부 온도 정보와, 설정 온도 정보에 기초하여 사용하는 모델을 선정한다.
온도 제어부(36)는, 선정된 모델을 다운로드하여 온도 제어를 행한다.
승온 중시의 모델과, 안정 중시의 모델 중 어느 모델을 사용할지는, 설정 온도 정보의 온도값과 내부 온도 정보의 온도값과의 차의 절대값이, 어느 문턱값을 초과할지 어떤지에 의해 결정하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 설정 온도 정보의 온도값과 내부 온도 정보의 온도값과의 차의 절대값이, 어느 문턱값을 초과하는 경우에는, 승온 중시의 모델을 사용하고, 어느 문턱값 이하가 되는 경우에는, 안정 중시의 모델을 사용하도록 판정된다.
보다 구체적인 예를 도 5를 참조하여 설명한다. 도 5에, 승온 스텝시에 모델을 전환하는 실시 형태에 대해서 설명하기 위한 개략도를 나타낸다. 도 5에 있어서의, 종축은 온도를 나타내고, 횡축은 시간을 나타낸다.
도 5에 있어서의 곡선 C1은, 제1 설정 온도로부터 제2 설정 온도로 승온하는 경우, 승온 중시의 모델만을 사용한 경우의 온도 궤도이다. 승온 중시의 모델만을 사용한 경우, 설정 온도에 대하여 추종성 있는 온도 특성이 얻어지지만, 승온 후에 오버슈트되어, 제2 설정 온도로 안정될 때까지 필요로 하는 시간이 길어진다.
한편, 도 5에 있어서의 곡선 C2는, 제1 설정 온도로부터 제2 설정 온도로 승온하는 경우, 안정 중시의 모델만을 사용한 경우의 온도 궤도이다. 안정 중시의 모델만을 사용한 경우, 승온 후의 안정성을 갖는 온도 특성이 얻어지지만, 승온시에는, 설정 온도에 대하여 추종성이 낮은 온도 특성이 된다(즉, 승온에 필요로 하는 시간이 길어진다).
본 발명의 실시 형태에서는, 미리 작성된 2개 또는 그 이상의 온도 제어 모델 중으로부터, 승온시의 어느 시점(도 5에 있어서는, t＝72의 시점)에서, 승온 중시의 모델로부터 안정 중시의 모델로 전환하도록, 최적의 모델을 선정하여, 열처리를 행할 수 있다. 그 때문에, 승온시에 추종성 있는 온도 특성과, 승온 후의 안정성 있는 온도 특성을 양립한 온도 특성을 실현할 수 있다.
[제2 실시 형태]
다음으로, 본 발명의 제2 실시 형태에 대해서 설명한다. 본 실시 형태에서는, 일 예로서 누적 막두께에 따라서 모델을 전환하는 실시 형태에 대해서 설명한다.
도 6에, 누적 막두께에 기초하여 모델을 전환하는 실시 형태에 대해서 설명하기 위한 개략도를 나타낸다. 장치 제어부(100)의 모델 기억부(111)에는, 2개 또는 그 이상의 모델이 미리 기억되어 있다. 또한, 장치 제어부(100)의 ROM(113)에는 모델 전환의 조건 테이블이 기억되어 있다.
또한, 장치 제어부(100)(또는 온도 제어부(36))의 ROM(113(또는 ROM(123))에는, 반응관(2) 내의 누적 막두께 정보가 기록되어 있다.
장치 제어부(100)는, 이 모델 전환의 조건 테이블과, 누적 막두께에 기초하여 사용하는 모델을 선정한다.
구체적으로는, 현재의 누적 막두께가 2200㎚인 경우, 도 6에 나타내는 모델 전환의 조건 테이블에 있어서의 막두께와 가장 가까운, 2000㎚에 있어서의 모델(도 6에 있어서는 Model 2)이 선정된다.
온도 제어부(36)는, 선정된 모델을 다운로드하여 온도 제어를 행한다.
보다 구체적인 예를 도 7을 참조하여 설명한다. 도 7에, 누적 막두께에 기초하여 적절한 모델을 선정하는 실시 형태에 대해서 설명하기 위한 개략도를 나타낸다. 도 7에 있어서의, 종축은 온도를 나타내고, 횡축은 시간을 나타내고, 누적 막두께가 3000㎚인 상태에서의 제어 특성을 나타낸다.
도 7에 있어서의 곡선 C4는, 누적 막두께가 1000㎚인 상태를 상정하여 튜닝된 모델을 적용한 경우의 제어 특성이다. 누적 막두께가 작은 모델을, 누적 막두께가 큰 상태에서 사용한 이 예에서는, 열의 전도 시간이 상정된 전도 시간과 상이하기 때문에, 진동이 일어나고 있는 것을 알 수 있다.
한편, 곡선 C5는, 누적 막두께가 3000㎚인 상태를 상정하여 튜닝된 모델을 적용한 경우의 제어 특성이다. 모델 설계시에 상정된 누적 막두께와, 실제의 누적 막두께가 동일하기 때문에, 이상적인 제어 특성이 얻어지고 있는 것을 알 수 있다.
본 발명의 실시 형태에서는, 누적 막두께가 변화하는 경우라도, 미리 작성된 2개 또는 그 이상의 온도 제어 모델로부터, 최적의 모델을 선정하여, 열처리를 행할 수 있다. 그 때문에, 배치 처리 회수가 증가하여, 로 내벽면에 부착하는 막두께가 누적되어도, 면 사이 및 면 내에 균일하게 열처리를 행할 수 있다.
본 발명의 열처리 장치에서, 온도 제어부는, 장치 제어부 내에 기억된 다수의 모델 중으로부터, 여러 가지의 프로세스 조건이나 누적 막두께에 따른 최적의 모델을 다운로드하여, 처리를 실행할 수 있다. 그 때문에, 여러 가지의 프로세스 조건이나 누적 막두께에 관계없이, 안정된 열처리를 행할 수 있다.
1 : 열처리 장치
2 : 반응관
3 : 히터
21 : 매니폴드
24 : 덮개체
25 : 보온통
31∼35 : 히터
36∼40 : 온도 제어부
100 : 장치 제어부
111 : 모델 기억부
112 : 레시피 기억부
113 : ROM
114 : RAM
115 : I/O 포트
116 : CPU
117 : 버스
118 : 조작 패널
121 : 모델 기억부
123 : ROM
124 : RAM
125 : I/O 포트
126 : CPU
127 : 버스
128 : 조작 패널

Claims (8)

  1. 피(被)처리체를 승온, 강온 또는 정온(定溫)에서 열처리하는 열처리 장치로서,
    상기 피처리체를 수납하는 처리실과,
    상기 처리실에 수납된 상기 피처리체를 가열하기 위한 가열부와,
    미리 작성된 복수의 온도 제어 모델을 기억하는 기억부와,
    상기 가열부의 온도를 제어하는 온도 제어부와,
    상기 온도 제어부 및 상기 기억부를 제어하는 장치 제어부를 갖고,
    상기 장치 제어부는, 상기 열처리시의 조건에 따라서, 상기 복수의 온도 제어 모델로부터 상기 열처리의 도중에 선택적으로 전환하여 적용될 2개 또는 그 이상의 온도 제어 모델을 선정하고,
    상기 온도 제어부는, 상기 선정된 온도 제어 모델을 상기 기억부로부터 판독하여, 상기 가열부를 제어하고,
    상기 장치 제어부에서, 상기 피처리체를 설정 온도까지 승온 또는 강온하는 상기 열처리의 경우에, 그 열처리 도중에 선택적으로 전환하여 적용되는, 상기 2개 또는 그 이상의 온도 제어 모델은, 승온 또는 강온시에 상기 설정 온도를 추종하도록 하는 온도 제어 모델로부터, 승온 또는 강온된 온도가 상기 설정 온도 부근에서 진동하지 않도록 하는 온도 제어 모델로 전환하도록 선정되는 온도 제어 모델인 열처리 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 장치 제어부는, 상기 처리실의 누적 막두께, 상기 피처리체의 사이즈, 상기 피처리체의 처리 매수, 상기 피처리체의 상기 처리실로의 로드 스피드, 상기 피처리체의 상기 처리실에서의 로드 위치, 상기 처리실의 압력, 상기 처리실 내의 가스의 종류, 상기 처리실 내의 가스량 중 적어도 어느 하나에 따라서, 상기 복수의 온도 제어 모델로부터 온도 제어 모델을 선정하는 열처리 장치.
  5. 피처리체를 수납하기 위한 처리실과,
    상기 피처리체를 가열하기 위한 가열부와,
    미리 작성된 복수의 온도 제어 모델을 기억하는 기억부와,
    상기 기억부에 기억된 상기 온도 제어 모델을 판독하여, 상기 가열부의 온도를 제어하는 온도 제어부와,
    상기 온도 제어부 및 상기 기억부를 제어하는 장치 제어부를 갖는 열처리 장치의 제어 방법으로서,
    상기 피처리체를 승온, 강온 또는 정온에서 열처리하는 경우, 상기 열처리의 조건에 따라서 상기 복수의 온도 제어 모델로부터 상기 열처리의 도중에 선택적으로 전환하여 적용될 2개 또는 그 이상의 온도 제어 모델을 선정하는 스텝과,
    상기의 선정된 온도 제어 모델을, 상기 기억부로부터 판독하여, 상기 가열부를 제어하는 스텝을 갖고,
    상기 선정하는 스텝에서, 상기 피처리체를 설정 온도까지 승온 또는 강온하는 상기 열처리의 경우에, 그 열처리 도중에 선택적으로 전환하여 적용되는 상기 2개 또는 그 이상의 온도 제어 모델은, 승온 또는 강온시에 상기 설정 온도를 추종하도록 하는 온도 제어 모델로부터, 승온 또는 강온된 온도가 상기 설정 온도 부근에서 진동하지 않도록 하는 온도 제어 모델로 전환하도록 선정되는 온도 제어 모델인 열처리 장치의 제어 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제5항에 있어서,
    상기 선정하는 스텝은, 상기 처리실의 누적 막두께, 상기 피처리체의 사이즈, 상기 피처리체의 처리 매수, 상기 피처리체의 상기 처리실로의 로드 스피드, 상기 피처리체의 상기 처리실에서의 로드 위치, 상기 처리실의 압력, 상기 처리실 내의 가스의 종류, 상기 처리실 내의 가스량 중 적어도 어느 하나에 따라서, 상기 복수의 온도 제어 모델로부터 온도 제어 모델을 선정하는 스텝을 포함하는 열처리 장치의 제어 방법.
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