KR102416868B1 - 기판을 열처리하는 장치 및 방법 - Google Patents

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히로유키 미야시타
쇼헤이 요시다
다카히사 마세
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 기판을 가열부에 의해 가열해서 열처리하는 데 있어서, 가열부의 출력의 제어를 안정되게 행하는 기술을 제공한다. 스테이지에 적재된 기판을 가열하는 출력을 변화시킬 수 있도록 구성되는 가열부와, 기판을 가열하는 온도를 측정하도록 구성되는 제1 온도 측정부 및 제2 온도 측정부와, 온도 산출부와, 제어부를 구비한다. 제2 온도 측정부는, 제1 온도보다 저온의 영역에서는 제1 온도 측정부보다도 측정 정밀도가 낮고, 제1 온도보다도 높은 온도인 제2 온도보다 고온의 영역에서는 제1 온도 측정부보다도 측정 정밀도가 높은 것이다. 온도 산출부는, 제1 온도 측정부의 측정 온도와, 제2 온도 측정부의 측정 온도의 가중 평균 온도를 산출한다. 제어부는, 제1 온도에서부터 상기 제2 온도까지의 온도 범위에서는, 상기 가중 평균 온도에 기초하여 가열부의 출력을 제어하도록 구성된다.

Description

기판을 열처리하는 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR HEAT-TREATING SUBSTRATE}
본 개시는, 기판을 열처리하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 제조에 있어서는, 기판에 대한 열처리로서, 기판에 막을 형성하는 성막 처리나, 기판에 형성된 막의 개질 처리 등이 행하여지고 있다. 이 열처리는, 예를 들어 스테이지에 기판을 배치하고, 가열부에서 기판을 가열함으로써 실시된다. 가열 온도의 제어는, 예를 들어 온도 측정부에서 측정된 온도 측정 값에 기초하여, 가열부의 출력을 제어함으로써 행하여진다.
특허문헌 1에는, 열처리 장치에 있어서, 상온 내지 저온 영역에서는 열전쌍으로 웨이퍼의 온도를 모니터하고, 고온 영역에서는 방사 온도계로 웨이퍼의 온도를 모니터하여, 가열 출력을 제어하는 기술이 기재되어 있다.
일본 특허 공개 제2006-313779호 공보
본 개시는, 기판을 가열부에 의해 가열해서 열처리하는 데 있어서, 가열부의 출력의 제어를 안정되게 행하는 기술을 제공한다.
본 개시는,
기판을 열처리하는 장치이며,
상기 기판이 배치되는 스테이지와,
상기 스테이지에 배치된 상기 기판을 가열하는 출력을 변화시킬 수 있도록 구성되는 가열부와,
상기 가열부에 의해 상기 기판을 가열하는 온도를 측정하도록 구성되는 제1 온도 측정부와,
상기 가열부에 의해 상기 기판을 가열하는 온도를 측정하도록 구성되고, 제1 온도보다 저온의 제1 영역에서는 상기 제1 온도 측정부보다도 측정 정밀도가 낮고, 상기 제1 온도보다도 높은 온도인 제2 온도보다 고온의 제2 영역에서는 상기 제1 온도 측정부보다도 측정 정밀도가 높은, 제2 온도 측정부와,
상기 제1 온도 측정부의 측정 온도와 상기 제2 온도 측정부의 측정 온도의 어느 한쪽을 기준 온도로 했을 때, 상기 기준 온도가, 상기 제1 온도와 상기 제2 온도의 사이의 온도 범위 내에 있는 경우에, 상기 제1 온도 측정부의 측정 온도와, 상기 제2 온도 측정부의 측정 온도의 가중 평균 온도를 산출하도록 구성됨과 함께, 상기 기준 온도가 상기 제1 온도에 가까울수록, 상기 제1 온도 측정부의 측정 온도의 비율이 크고, 당해 기준 온도가 상기 제2 온도에 가까울수록, 상기 제2 온도 측정부의 측정 온도의 비율이 커지도록, 상기 가중 평균 온도의 가중치를 변화시키도록 구성되는 온도 산출부와,
상기 제1 온도에서부터 상기 제2 온도까지의 온도 범위에서는, 상기 온도 산출부에 의해 산출한 상기 가중 평균 온도에 기초하여 상기 가열부의 출력을 제어하도록 구성되는 제어부를 갖는다.
본 개시에 의하면, 기판을 가열부에 의해 가열해서 열처리하는 데 있어서, 가열부의 출력의 제어를 안정되게 행할 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시 형태에 따른 열처리 장치를 도시하는 종단 측면도이다.
도 2는 상기 열처리 장치의 주요 부분의 구성예를 도시하는 종단 측면도이다.
도 3은 상기 열처리 장치의 일부를 도시하는 평면도이다.
도 4는 상기 열처리 장치의 제어계의 구성예를 도시하는 블록도이다.
도 5는 상기 열처리 장치의 작용을 설명하는 특성도이다.
도 6은 상기 열처리 장치의 작용을 설명하는 특성도이다.
도 7은 상기 열처리 장치의 작용을 설명하는 특성도이다.
도 8은 상기 열처리 장치의 작용을 설명하는 특성도이다.
도 9는 본 개시의 다른 실시 형태에 따른 열처리 장치를 도시하는 종단 측면도이다.
도 10은 다른 실시 형태에 따른 열처리 장치의 일부를 도시하는 평면도이다.
도 11은 본 개시의 열처리 장치의 평가 시험의 결과를 도시하는 특성도이다.
도 12는 본 개시의 열처리 장치의 평가 시험의 결과를 도시하는 특성도이다.
도 13은 비교예의 열처리 장치의 평가 시험의 결과를 도시하는 특성도이다.
본 개시의 기판을 열처리하는 장치의 제1 실시 형태에 대해서, 도 1 내지 도 4를 참조하면서 설명한다. 이 예에서의 기판을 열처리하는 장치는, 기판인 반도체 웨이퍼(이하, 「웨이퍼」라고 함)(W)에 대하여, 열처리를 행하는 열처리 장치(1)이다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 열처리 장치(1)는, 기밀하게 구성된 처리 챔버(11)를 구비하고, 처리 챔버(11)의 내부에는, 예를 들어 투명한 석영제의 벨자(2)가 마련되어 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 벨자(2)는, 예를 들어 원통 부재(21)와, 원통 부재(21)의 상방을 덮는 천장판(22)과, 천장판(22)의 중앙으로부터 하방으로 연장되는 중공 부재(23)를 구비하고 있다. 천장판(22)은, 원통 부재(21)에 의해, 처리 챔버(11)의 저벽(110)과 대향하도록 지지되고, 예를 들어 원통 부재(21)의 하단은 상기 저벽(110)에 설치된다. 이 예에서는, 벨자(2)에 의해 처리 챔버(11)의 내부가 구획되고, 벨자(2)의 상방에 웨이퍼(W)가 배치되는 스테이지(3)가 마련됨과 함께, 벨자(2)의 내부에 후술하는 가열부가 마련되어 있다.
도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 예를 들어 스테이지(3)는, 질화알루미늄(AlN)에 의해 구성되고, 평면적으로 보아 웨이퍼(W)보다도 큰 원판형으로 형성되어, 벨자(2)의 천장판(22) 상에 적재되어 있다. 스테이지(3)의 거의 중앙에는, 평면적으로 보아 벨자(2)의 중공 부재(23)의 개구(231)와 대응하는 위치에, 개구(31)가 형성되어 있다.
이 예에서 웨이퍼(W)는, 보유 지지 부재(32)에 의해 스테이지(3)의 상방에, 스테이지(3) 표면과 대향하도록 보유 지지된다. 보유 지지 부재(32)는, 도 3에 도시한 바와 같이, 웨이퍼(W)를 지지하는 예를 들어 3개의 보유 지지 암(321, 322, 323)과, 이들 보유 지지 암(321 내지 323)이 결합된 회전축(324)을 구비하고 있다. 예를 들어 보유 지지 암(321 내지 323)은, 스테이지(3)로부터 약간 부상한 상태에서, 회전축(324)의 상단을 중심축으로 해서 120도 간격으로 수평 방향으로 방사형으로 연장되도록 구성된다. 예를 들어 보유 지지 암(321 내지 323)의 길이 방향의 중간 위치에는 도시하지 않은 돌기가 마련되고, 웨이퍼(W)는, 각 보유 지지 암(321 내지 323)의 돌기가 맞닿는 3점에서 지지된다. 이러한 보유 지지 부재(32)는, 스테이지(3)로부터의 열을 차폐하지 않도록, 예를 들어 투명한 석영에 의해 형성된다.
보유 지지 부재(32)의 회전축(324)은, 예를 들어 불투명한 석영에 의해 형성되고, 스테이지(3)의 개구(31)를 통해서, 벨자(2)의 중공 부재(23)의 내부에 삽입 관통되어 하방측으로 연장되도록 마련된다. 이 회전축(324)의 하단은 처리 챔버(11)의 저벽(110)을 관통하여, 당해 저벽(110)의 하방측에서 케이싱(111) 내에 마련된 구동 기구(325)에 접속되어 있다. 도 2 중, 부호 326은 베어링이다. 이렇게 해서, 보유 지지 부재(32)는 구동 기구(325)에 의해, 승강 가능 및 연직축 주위로 회전 가능하게 구성되고, 웨이퍼(W)는, 보유 지지 부재(32)에 의해 스테이지(3)의 상면으로부터 약간 상방의 위치에 배치되어, 회전 가능하게 보유 지지된다.
가열부는, 예를 들어 가늘고 긴 관 형상의 카본 와이어 히터(이하, 「히터」라고 함)(4)에 의해 구성되어 있다. 예를 들어 벨자(2)의 내부에는, 천장판(22)과 대향하도록 원판형의 제1 열반사 부재(24)가 마련되고, 히터(4)는, 이 제1 열반사 부재(24) 상에, 원환형 또는 원호형으로 평면적으로 배치된다. 히터(4)는, 예를 들어 평면적으로 보아 중심에 배치된 제1 히터(41)와, 제1 히터(41)의 외주를 둘러싸도록 형성된 제2 히터(42)와, 제2 히터(42)의 외주를 둘러싸도록 형성된 제3 히터(43)를 구비한다. 도 2에 도시하는 부호 46은, 히터(4)의 각 단자와 도시하지 않은 전원 케이블 접속용 단자를 전기적으로 접속하기 위한 접속 부재이다.
제1 열반사 부재(24)의 하방측에는, 예를 들어 원판형의 제2 열반사 부재(25)가 당해 제1 열반사 부재(24)와 대향하도록 마련된다. 이들 제1 열반사 부재(24) 및 제2 열반사 부재(25)는, 예를 들어 불투명한 석영에 의해 구성되고, 각각 중공 부재(23)가 관통하는 개구(241, 251)를 구비하고 있다. 도 2 중, 부호 242, 252는, 각각 제1 열반사 부재(24)와 제2 열반사 부재(25)의 지지 부재이다.
제1 내지 제3 히터(41 내지 43)는, 제1 열반사 부재(24)의 상방에 배치되고, 각 히터(41 내지 43)의 열은, 스테이지(3)에 방사됨과 함께, 제1 및 제2 열반사 부재(24, 25)에서 반사된 열도 스테이지(3)에 방사된다. 이렇게 해서, 스테이지(3)가 제1 내지 제3 히터(41 내지 43)에 의해 가열되어, 당해 스테이지(3)를 통해서, 스테이지(3)의 상방에 배치된 웨이퍼(W)가 가열된다.
도 4에 도시한 바와 같이, 제1 히터(41), 제2 히터(42), 제3 히터(43)의 각 단자는, 각각 사이리스터(431, 432, 433) 및 변류기(441, 442, 443)를 통해서 전원부(교류 전원)(45)에 접속되어 있다.
사이리스터(431 내지 433)는, 예를 들어 교류 전원(45)으로부터 공급되는 교류 전력의 위상 제어를 행하여, 각 히터(41 내지 43)에 공급할 전력을 제어하는 것이다. 예를 들어 교류 전류의 주기별 온(ON) 시간의 비율을 사이리스터(431 내지 433)를 사용해서 변화시킴으로써, 공급할 전력이 제어된다. 사이리스터 출력의 전류값은 변류기(441 내지 443)에 의해 모니터된다. 이렇게 해서, 가열부인 히터(4)는, 스테이지(3)에 배치된 웨이퍼(W)를 가열하는 출력을 변화시킬 수 있도록 구성된다.
열처리 장치(1)는, 제1 온도 측정부 및 제2 온도 측정부를 구비하고 있다. 이들 제1 온도 측정부 및 제2 온도 측정부는, 가열부(히터(4))에 의해 웨이퍼(W)를 가열하는 온도를 측정하도록 각각 구성되어 있다. 이 예에서의 제1 온도 측정부 및 제2 온도 측정부는, 서로 온도의 측정 방식이 다른 것이다. 예를 들어 제1 온도 측정부는, 열전쌍(TC: Thermocouple)(51)을 사용해서 온도를 측정하도록 구성된다. 또한, 제2 온도 측정부는, 제1 온도보다도 저온의 영역에서는 제1 온도 측정부보다도 측정 정밀도가 낮고, 제1 온도보다도 높은 온도인 제2 온도보다도 고온의 영역에서는, 제1 온도 측정부보다도 측정 정밀도가 높은 것이 사용된다. 이 예에서의 제2 온도 측정부는, 열방사의 감지 결과에 기초하여 온도를 측정하도록 구성되고, 예를 들어 파이로미터(Pyrometer)(52)를 사용할 수 있다.
측정 정밀도가 낮다는 것은, 제1, 제2 온도 측정부의 측정 온도를 비교했을 때, 한쪽의 온도 측정부에서의 실제의 온도(실온도)와 측정 온도의 차분(어긋남)이, 다른 쪽의 온도 측정부의 차분보다도 크다는 것이다. 제1 온도 및 제2 온도는, 온도 측정부의 특성이나, 열처리 장치에서의 배치 위치, 열처리의 종별 등에 따라서 특정된다. 이 예에서는, 열전쌍(51)은, 예를 들어 상온에서부터 300℃ 정도까지의 온도 범위에서는, 파이로미터(52)보다도 측정 정밀도가 높다. 또한, 파이로미터(52)는, 예를 들어 350℃ 이상의 온도 범위에서는, 열전쌍(51)보다도 측정 정밀도가 높다. 그래서, 본 예에서는 제1 온도를 300℃로 하고, 제2 온도를 350℃로 하였다.
또한, 이 예에서는, 열전쌍(51)과 파이로미터(52)는 배치 위치가 달라, 열전쌍(51)은 스테이지(3)의 외부에 마련되고, 파이로미터(52)는 스테이지(3)의 내부에 마련된다. 구체적으로는, 열전쌍(51)은 제1 열반사 부재(24)의 하면 근방에 위치하도록 벨자(2) 내에 마련된다. 도 2에서는, 2개의 열전쌍(51, 53)을 구비하는 구성을 나타내지만, 열전쌍(53)은 인터로크용이며, 열전쌍(51)이 제1 온도 측정부에 상당한다.
도 2, 도 3에 도시한 바와 같이, 예를 들어 파이로미터(52)의 검출부(521)는, 스테이지(3)의 측벽으로부터 스테이지(3)의 중심을 향해서 수평하게 삽입된다. 이 예에서는, 검출부(521)의 선단은, 스테이지(3)에 웨이퍼(W)가 배치되었을 때 웨이퍼(W)의 하방측에 위치하도록 마련된다. 이러한 검출부(521)는, 예를 들어 스테이지(3)의 측벽으로부터 스테이지(3)의 내부에 걸쳐서 형성된 오목부에 수납된다. 이후에서는, 검출부(521)를 파이로미터(52)로서 설명하는 경우도 있다.
처리 챔버(11)의 구성에 대해서 설명을 되돌리면, 도 1에 도시한 바와 같이, 처리 챔버(11)의 측벽에는, 외부와의 사이에서 웨이퍼(W)를 반출입하기 위한 반입출구(112)가, 게이트 밸브(113)에 의해 개폐 가능하게 형성되어 있다. 또한, 처리 챔버(11)는, 배기 배관(114)에 의해, 처리 챔버(11) 내의 압력 제어를 행하는 압력 조절부(115)를 통해서, 진공 펌프 등에 의해 구성된 배기부(116)에 접속되어 있다. 또한, 이 배기부(116)는, 압력 조절부(118)를 구비한 배기 배관(117)에 의해, 벨자(2)의 내부 공간에 접속된다. 이렇게 해서, 처리 챔버(11)의 프로세스 공간(10)을 배기부(116)에 의해 감압할 때, 프로세스 공간(10)과의 압력차가 작아지도록, 벨자(2)의 내부 공간도 감압된다.
계속해서, 가열부의 제어계에 대해서, 도 4를 참조하여 설명한다. 열전쌍(51)으로부터 출력된 기전력은, 변환부(511)를 통해서 가열 제어부(61)의 온도 산출부(611)에 출력된다. 변환부(511)는, 열전쌍(51)의 기전력을 온도 데이터로 변환하는 기능을 갖는다. 또한, 파이로미터(52)의 검출값은, 본체부(522)를 통해서 가열 제어부(61)의 온도 산출부(611)에 출력된다. 본체부(522)는, 파이로미터(52)의 검출값을 온도 데이터로 변환하는 기능을 갖는다.
가열 제어부(61)는, 마이크로컴퓨터에 의해 구성되고, 이미 설명한 온도 산출부(611)와 출력 설정부(612)를 구비한다. 온도 산출부(611)는, 열전쌍(51) 및 파이로미터(52)로부터 얻어진 측정 온도에 기초하여, 후술하는 가중 평균 온도를 산출한다. 또한, 온도 산출부(611)는, 출력 설정부(612)에 출력하는 온도를 열전쌍(51)이나 파이로미터(52)의 측정 온도와, 상술한 가중 평균 온도의 사이에서 전환하도록 구성된다. 출력 설정부(612)는, 열전쌍(51) 및 파이로미터(52)의 측정 온도나, 산출된 가중 평균 온도에 기초하여, 제1 내지 제3 히터(41 내지 43)에 공급할 전력(총 공급 전력값)을 설정하도록 구성된다. 출력 설정부(612)를 구비한 가열 제어부(61)는, 온도 산출부(611)에 의해 산출한 가중 평균 온도에 기초하여 가열부의 출력을 제어하는, 본 개시의 제어부에 상당한다.
열전쌍(51) 또는 파이로미터(52)의 측정 온도를 이용하는 온도 범위에서는, 출력 설정부(612)는, 측정 온도와 미리 설정된 설정 온도를 비교하여, 측정 온도가 설정 온도에 접근하도록 각 히터(41 내지 43)의 공급 전력값을 설정한다. 또한, 가중 평균 온도를 사용하는 온도 범위에서는, 출력 설정부(612)는, 측정 온도의 경우와 마찬가지의 비교를 행하여, 산출된 가중 평균 온도가 설정 온도에 접근하도록 각 히터(41 내지 43)의 공급 전력값을 설정한다. 후술하는 바와 같이 메인 제어부(7)에서, 제1 내지 제3 히터(41 내지 43)의 출력비가 설정되어 있고, 예를 들어 상기 총 공급 전력값에 각 히터(41 내지 43)의 출력비를 곱함으로써, 각 히터(41 내지 43)의 공급 전력값이 설정된다.
출력 제어부(62)는, 마이크로컴퓨터에 의해 구성되고, 출력 설정부(612)에서 설정된 제1 내지 제3 히터(41 내지 43)의 공급 전력값에 기초하여, 각 사이리스터(431 내지 433)의 동작 제어를 행하도록 구성된다. 사이리스터(431 내지 433)는, 각각의 변류기(441 내지 443) 출구의 전력 검출값이, 각 히터(41 내지 43)의 공급 전력값에 접근하도록 제어된다. 이렇게 해서, 열전쌍(51) 및 파이로미터(52)를 이용해서 얻어진 온도(각 측정 온도나 가중 평균 온도)에 기초하여, 각 히터(41 내지 43)에 전원부(45)로부터 각 사이리스터(431 내지 433), 각 변류기(441 내지 443)를 통해서 공급되는 전력이 제어된다. 예를 들어 제1 내지 제3 히터(41 내지 43)에는 각각 전력계(461, 462, 463)가 마련되어 있고, 각 전력계(461 내지 463)에 의해, 각 히터(41 내지 43)에 공급되는 전력이 검출된다. 그리고, 이 전력 검출값을 출력 제어부(62)에 피드백하여, 설정된 공급 전력값에 접근하도록 제어가 행하여진다.
계속해서, 온도 산출부(611)에서 산출되는 가중 평균 온도에 대해서 설명한다. 온도 산출부(611)는, 기준 온도가 제1 온도와 제2 온도의 사이의 온도 범위 내에 있는 경우에, 제1 온도 측정부(열전쌍(51))의 측정 온도와, 제2 온도 측정부(파이로미터(52))의 측정 온도의 가중 평균 온도를 출력하도록 구성된다. 이때, 기준 온도가 제1 온도에 가까울수록, 열전쌍(51)의 측정 온도의 비율이 크고, 기준 온도가 제2 온도에 가까울수록, 파이로미터(52)의 측정 온도의 비율이 커지도록, 가중 평균 온도의 가중치를 변화시키도록 구성된다. 기준 온도란, 열전쌍(51)의 측정 온도와 파이로미터(52)의 측정 온도의 어느 한쪽이다.
한편, 온도 산출부(611)는, 제1 온도보다 낮은 온도 범위에서는, 열전쌍(51)의 측정 온도를 출력하고, 제2 온도보다 높은 온도 범위에서는 파이로미터(52)의 측정 온도를 출력한다. 온도 산출부(611)의 출력은, 출력 설정부(612) 및 메인 제어부(7)에 공급된다.
가중 평균 온도의 산출에 관하여, 예를 들어 온도 산출부(611)는, 이하의 (1)식에 기초하여, 가중 평균 온도(T')를 산출하도록 구성된다. (1)식은, 열전쌍(51)의 측정 온도를 기준 온도로 했을 때, 기준 온도의 변화에 따라 선형적으로 가중 평균 온도의 가중치를 변화시키는 예이다.
T'={1-(TL-T1)/(T2-T1)}TL
+(TL-T1)/(T2-T1)TH … (1)
TL: 열전쌍(제1 온도 측정부)의 측정 온도
TH: 파이로미터(제2 온도 측정부)의 측정 온도
T1: 제1 온도
T2: 제2 온도
(1)식에서는, 기준 온도가 제1 온도(T1)에 가까울수록, TL의 계수가 크고, TH의 계수가 작아져, 기준 온도로서 제1 온도(T1)를 대입하면, T'=TL이 된다. 또한, 기준 온도가 제2 온도(T2)에 가까울수록, TL의 계수가 작고, TH의 계수가 커져, 기준 온도로서 제2 온도(T2)를 대입하면, T'=TH가 된다. 이와 같이, (1)식에서는, 기준 온도가 제1 온도(T1)에 가까울수록, 측정 온도(TL)의 비율이 크고, 기준 온도가 제2 온도(T2)에 가까울수록, 측정 온도(TH)의 비율이 커지도록, 가중 평균 온도의 가중치가 변화하고 있다.
메인 제어부(7)는, CPU와 기억부를 구비한 컴퓨터에 의해 구성되고, 열처리 장치(1)의 각 부를 제어하는 것이다. 기억부에는 스테이지(3)의 가열, 처리 챔버(11) 내의 압력 조절 등의 웨이퍼(W)의 열처리에 필요한 동작을 실행하기 위한 스텝(명령)군이 짜여진 프로그램이 기록되어 있다. 이 프로그램은, 예를 들어 하드 디스크, 콤팩트 디스크, 마그네트 옵티컬 디스크, 메모리 카드 등의 기억 매체에 저장되고, 그곳으로부터 컴퓨터에 인스톨된다.
또한, 메인 제어부(7)는, 열 처리 시의 설정 온도나 제1 내지 제3 히터(41 내지 43)의 출력비 등을 입력할 수 있도록 구성되어 있다. 설정 온도란, 예를 들어 열처리의 종별마다 미리 설정되는 것이며, 열 처리 온도를 포함한다. 또한, 열처리 온도로 승온시킬 때까지의 승온 과정이나, 열 처리 온도로부터 강온시킬 때의 강온 과정을 포함해서 온도 제어를 행하는 경우에는, 각 시점에서의 온도나 승온·강온 속도를 포함해도 된다. 설정 온도는, 메인 제어부(7)로부터 출력 설정부(612)에 공급되어, 도시하지 않은 레지스터에 기록해도 된다.
또한, 메인 제어부(7)는, 열전쌍(51)의 측정 온도(TL) 및 파이로미터(52)의 측정 온도(TH)에 기초하여 가열 제어부(61)에 제어 지령을 출력하여, 제1 내지 제3 히터(41 내지 43)의 가열 제어를 행하도록 구성된다. 즉, 기준 온도(예를 들어 열전쌍(51)의 측정 온도(TL))가 제1 온도에서부터 제2 온도까지의 온도 범위 내에 있는 경우에, 상술한 (1)식을 사용해서 산출한 가중 평균 온도(T')에 기초하여 각 히터(41 내지 43)의 출력을 제어하도록 구성된다. 또한, 기준 온도가 제1 온도보다 낮은 온도 범위에서는, 열전쌍(51)(제1 온도 측정부)의 측정 온도(TL)에 기초하여 각 히터(41 내지 43)의 출력을 제어하도록 구성된다. 한편, 기준 온도가 제2 온도보다 높은 온도 범위에서는, 파이로미터(52)(제2 온도 측정부)의 측정 온도(TH)에 기초하여 각 히터(41 내지 43)의 출력을 제어하도록 구성된다.
도 5 내지 도 8에, (1)식을 사용해서 산출된 가중 평균 온도(T')에 기초하여 가열부의 출력 제어를 행하는 예에 대해서 모식적으로 도시한다. 도 5 내지 도 8 중, 횡축은 시간, 종축은 온도이며, 실선은 제어 온도(TC), 일점쇄선은 열전쌍(51)의 측정 온도(TL), 파선은 파이로미터(52)의 측정 온도(TH)를 각각 나타낸다. 제어 온도(TC)란, 미리 설정된 설정 온도와 측정 온도(TL, TH)에 기초하여 가열부의 출력 제어를 행할 때, 설정 온도에 접근하도록 메인 제어부(7)로부터 출력 설정부(612)에 대하여 설정되는 목표 온도이다.
도 5는, 시간의 경과에 따라서 직선적으로 설정 온도를 승온시키는 경우에 있어서, 열전쌍(51)의 측정 온도(TL)가 파이로미터(52)의 측정 온도(TH)보다 낮게 검출되는 예를 나타낸다. 기준 온도(여기서는 열전쌍(51)의 측정 온도(TL))가 제1 온도(T1)보다도 낮은 온도 범위에서는, 측정 온도(TL)에 기초하여, 이 측정 온도(TL)가 설정 온도에 접근하도록 가열부의 출력이 제어된다. 또한, 기준 온도가 제2 온도(T2)보다도 높은 온도 범위에서는, 측정 온도(TH)에 기초하여, 이 측정 온도(TH)가 설정 온도에 접근하도록 가열부의 출력이 제어된다.
히터(4)에 의한 가열의 응답이 충분히 빠른 경우에는, 측정 온도(TL, TH)와 제어 온도(TC)는 거의 일치한다. 이러한 이상적인 경우를 상정하여, 도 5 내지 도 8에서는, 응답 지연이 없고 측정 온도(TL, TH)가 제어 온도(TC)와 일치하고 있는 상태를 모식적으로 도시하고 있다. 이들 도면에 의하면, 제1 온도(T1)보다도 낮은 온도 범위에서는 열전쌍(51)의 측정 온도(TL)에 기초하여 온도 제어가 행하여지고, 제2 온도(T2)보다도 높은 온도 범위에서는 파이로미터(52)의 측정 온도(TH)에 기초하여 온도 제어가 행하여지는 것을 알 수 있다.
한편, 기준 온도인 측정 온도(TL)가 제1 온도(T1)에서부터 제2 온도(T2)까지의 온도 범위 내에 있는 경우에는, (1)식을 사용해서 산출된 가중 평균 온도(T')에 기초하여 가열부의 출력이 제어된다. 이미 설명한 바와 같이 가중 평균 온도의 가중치가 조정되어 있으므로, 제1 온도(T1)에서부터 제2 온도(T2)까지, 제어 온도(TC)를 선형적으로 승온시키면서 가열부의 출력이 제어된다.
도 6은, 시간의 경과에 따라 직선적으로 설정 온도를 강온시키는 경우에 있어서, 측정 온도(TL)가 측정 온도(TH)보다 낮게 검출되는 예를 나타낸다. 도 7은, 시간의 경과에 따라 직선적으로 설정 온도를 승온시키는 경우에 있어서, 측정 온도(TL)가 측정 온도(TH)보다 높게 검출되는 예를 나타낸다. 도 8은, 시간의 경과에 따라 직선적으로 설정 온도를 강온시키는 경우에 있어서, 측정 온도(TL)가 측정 온도(TH)보다 높게 검출되는 예를 나타낸다.
이들 예에서도, 기준 온도가 제2 온도(T2)보다도 높은 온도 범위에서는 파이로미터(52)의 측정 온도(TH)에 기초하고, 기준 온도가 제1 온도(T1)보다도 낮은 온도 범위에서는, 열전쌍(51) 측정 온도(TL)에 기초하여, 각각 온도 제어가 행하여진다. 그리고, 기준 온도가 제1 온도(T1)에서부터 제2 온도(T2)까지의 온도 범위에서는, (1)식을 사용해서 산출된 가중 평균 온도(T')에 기초하여 가열부의 출력이 제어된다. 이에 의해, 제1 온도(T1)와 제2 온도(T2)의 사이에서, 제어 온도(TC)를 선형적으로 승온·강온시키면서 가열부의 출력이 제어된다.
계속해서, 상술한 열처리 장치(1)에서 웨이퍼(W)에 대하여 열처리를 행하는 방법에 대해서, 웨이퍼(W)에 개질 처리를 행하는 경우를 예로 들어 설명한다.
먼저, 게이트 밸브(113)를 개방해서 반입출구(112)로부터 처리 챔버(11) 내에 처리 대상의 웨이퍼(W)를 외부의 반송 암(도시하지 않음)에 의해 반입하고, 보유 지지 부재(32)와 반송 암의 협동 작업에 의해 보유 지지 부재(32) 상에 적재한다. 이 예에서는, 보유 지지 부재(32) 상에의 웨이퍼(W)의 적재가, 스테이지(3)에 웨이퍼(W)를 배치하는 공정에 상당한다. 처리 대상의 웨이퍼(W)는, 예를 들어 실리콘 산화막(SiO2막)을 성막한 후, 질화 처리함으로써 SiON막이 형성된 웨이퍼(W)이다. 그리고, 게이트 밸브(113)를 닫은 상태에서 배기부(116)에 의해 진공 배기를 행하여, 처리 챔버(11) 내의 프로세스 공간(10) 내의 압력과, 벨자(2) 내의 압력을 열처리 시의 압력으로 조절한다.
한편, 스테이지(3)를 제1 내지 제3 히터(41 내지 43)에 의해, 미리 설정된 설정 온도에 기초하여, 예를 들어 제1 온도(T1) 이하의 온도, 예를 들어 상온에서부터 열처리 시의 온도, 예를 들어 700℃ 내지 800℃까지 점차 승온시킨다. 이때, 열전쌍(51) 및 파이로미터(52)에 의해, 스테이지(3)에 배치된 웨이퍼(W)를 가열하는 온도를 측정하여, 각각의 측정 온도(TL) 및 측정 온도(TH)를, 가열 제어부(61)의 온도 산출부(611)에 출력한다.
온도 산출부(611)는, 기준 온도인 열전쌍(51)의 측정 온도(TL)가 제1 온도(T1), 예를 들어 300℃보다 낮은 경우에는, 이 측정 온도(TL)를 출력 설정부(612)를 향해서 출력한다. 출력 설정부(612)는, 당해 측정 온도(TL)가 설정 온도에 접근하도록, 각 히터(41 내지 43)의 공급 전력값을 설정한다. 그리고, 출력 제어부(62)는, 이 공급 전력값에 기초하여 각 히터(41 내지 43)의 각 사이리스터(431 내지 433)의 동작 제어를 행하여, 각 변류기(441 내지 443) 출구의 전력 검출값이, 각 공급 전력값에 접근하도록 제어한다.
또한, 온도 산출부(611)는, 열전쌍(51)의 측정 온도(TL)가 제1 온도(T1) 이상이 되면, 열전쌍(51)의 측정 온도(TL) 대신에 (1)식에 기초하여 산출한 가중 평균 온도(T')를 출력 설정부(612)를 향해서 출력한다. 출력 설정부(612)는, 가중 평균 온도(T')가 설정 온도에 접근하도록, 각 히터(41 내지 43)의 공급 전력값을 설정하고, 이 공급 전력값에 기초하여 출력 제어부(62)를 통해서 각 히터(41 내지 43)의 출력을 제어한다. 이 가중 평균 온도(T')에 기초하는 가열 제어는, 열전쌍(51)의 측정 온도(TL)가 제1 온도(T1) 이상, 제2 온도(T2) 이하의 온도 범위 내에 있는 경우에 실행한다. 본 예에서는 제2 온도(T2)는 350℃이다.
또한, 온도 산출부(611)는, 열전쌍(51)의 측정 온도(TL)가 제2 온도(T2)보다 커지면, 가중 평균 온도(T') 대신에 파이로미터(52)의 측정 온도(TH)를 출력 설정부(612)를 향해서 출력한다. 출력 설정부(612)는, 당해 측정 온도(TH)가 설정 온도에 접근하도록, 각 히터(41 내지 43)의 공급 전력값을 설정한다. 출력 제어부(62)는, 이 공급 전력값에 기초하여 각 히터(41 내지 43)의 출력을 제어한다.
이렇게 해서, 이용하는 온도 데이터를 순차 전환하면서, 히터(41 내지 43)의 출력 제어를 실행한다. 그리고, 파이로미터(52)의 측정 온도(TH)가 미리 설정된 열 처리 온도에 도달하면, 미리 설정된 시간 동안, 웨이퍼(W)의 열처리를 실시한다. 웨이퍼(W)의 열처리는, 스테이지(3)로부터의 열방사에 의해, 또한 도시하지 않은 가스 공급구로부터 웨이퍼(W)와 스테이지(3)의 사이에 공급된 전열용 불활성 가스를 통해서 진행된다.
소정의 시간 동안, 웨이퍼(W)의 열처리를 실시한 후, 예를 들어 미리 설정된 설정 온도에 기초하여 스테이지(3)를 이미 설명한 제1 온도보다도 낮은 온도까지 강온시키도록, 각 히터(41 내지 43)의 출력을 제어한다. 예를 들어 이미 설명한 전열용 불활성 가스를 공급하면서, 히터(41 내지 43)의 출력을 저하시킴으로써, 스테이지(3)의 온도가 저하되어 간다. 각 히터(41 내지 43)의 출력 제어는, 열전쌍(51)의 측정 온도(TL)가 제2 온도(T2)보다 높은 온도 범위에서는, 파이로미터(52)의 측정 온도(TH)에 기초해서 행한다. 또한, 열전쌍(51)의 측정 온도(TL)가 제2 온도(T2)와 제1 온도(T1) 사이의 온도 범위 내에 있는 경우에는, 상술한 (1)식에 기초하여 산출된 가중 평균 온도(T')를 사용해서 가열 제어를 행한다. 또한, 열전쌍(51)의 측정 온도(TL)가 제1 온도(T1)보다 낮은 온도 범위에서는, 이 측정 온도(TL)에 기초하여 가열 제어를 행한다.
그리고, 측정 온도(TL)가 미리 설정된 온도까지 저하되면, 처리 챔버(11) 및 벨자(2) 내의 압력을 웨이퍼(W)의 반송 동작 실행 시의 압력으로 조절한 후, 게이트 밸브(113)를 개방한다. 그런 뒤, 외부의 반송 암을 진입시켜, 반입 시와는 반대의 경로로 웨이퍼(W)를 반출한다.
이 실시 형태에 따르면, 스테이지(3)에 배치된 웨이퍼(W)를 가열부에 의해 가열해서 열처리하는 데 있어서, 가열부의 출력 제어를 안정되게 행할 수 있다. 이 예에서는, 제1 온도보다도 저온의 영역에서 측정 정밀도가 높은 제1 온도 측정부와, 제1 온도보다도 높은 온도인 제2 온도보다 고온의 영역에서 측정 정밀도가 높은 제2 온도 측정부를 사용해서 온도의 측정을 행하고 있다. 그러나, 양자는 높은 정밀도로 온도 측정할 수 있는 온도 영역이 다르기 때문에, 아무런 대응도 하지 않고 제1 온도 측정부와 제2 온도 측정부 사이를 전환하면, 양자간에 측정 온도에서 어긋남이 발생하는 경우가 있다.
이와 같이, 제1 온도 측정부와 제2 온도 측정부 사이의 전환 시에 측정 온도의 어긋남이 발생하면, 가열부의 출력이 격렬하게 헌팅되는 경우가 있는 것을 파악하였다. 예를 들어 제1 온도 측정부의 측정 온도(TL)보다 제2 온도 측정부의 측정 온도(TH)가 낮을 때는, 측정 온도(TH)를 설정 온도로 맞추기 위해서 가열부의 출력이 급격하게 증대한다. 이에 따라, 측정 온도(TH)가 급상승하면, 측정 온도(TH)를 설정 온도에 맞추기 위해서 가열부의 출력이 급격하게 감소하고, 측정 온도(TH)가 안정될 때까지, 이러한 가열부의 출력의 큰 변동이 반복된다. 이 가열부의 출력의 헌팅이 일어나면, 스테이지(3)에 반복해서 열응력이 발생하여, 손상이나 파손을 야기하는 원인이 된다.
이 때문에, 본 개시에서는, 제1 온도 측정부에서 제2 온도 측정부로의 온도 측정부의 전환에 이행 온도대를 설정하고, 양자의 가중 평균값을 산출하여, 이 가중 평균 온도에 기초하여 가열부의 출력 제어를 행하고 있다. 이 가중 평균 온도는, 기준 온도가 제1 온도에 가까울수록, 측정 온도(TL)의 비율이 크고, 기준 온도가 제2 온도에 가까울수록, 측정 온도(TH)의 비율이 커지도록 가중치가 변화되도록 설정된다.
따라서, 제1 온도에서 제2 온도로, 서서히 제어 온도인 가중 평균 온도가 이행해 가므로, 제어 온도의 급격한 변화가 억제된다. 이 때문에, 가열부의 출력에 헌팅이 발생할 우려가 작아, 가열부의 출력 제어를 안정되게 행할 수 있다. 또한, 헌팅에 의한 열응력이 원인으로 되는 스테이지(3)의 대미지 발생을 억제할 수 있다.
또한, 상기 (1)식과 같이, 기준 온도의 변화에 따라, 가중 평균 온도의 가중치를 선형적으로 변화시키는 경우에는, 제1 온도와 제2 온도의 사이의 온도 범위에 있어서, 가중 평균 온도가 직선적으로 변화한다. 이 때문에, 제어 온도의 이행이 보다 원활해져, 가열부의 출력 제어를 보다 한층 안정되게 행할 수 있다.
또한, 제1 온도보다도 낮은 온도 범위에서는, 당해 온도 범위에서의 측정 정밀도가 높은 제1 온도 측정부의 측정 온도(TL)에 기초하여, 가열부의 출력의 제어를 행하고 있다. 또한, 제2 온도보다도 높은 온도 범위에서는, 당해 온도 범위에서의 측정 정밀도가 높은 제2 온도 측정부의 측정 온도(TH)에 기초하여, 가열부의 출력 제어를 행하고 있다. 이 때문에, 제1 온도보다 낮은 온도에서부터 제2 온도보다도 높은 온도까지, 가열부의 출력 제어를 안정되게 행할 수 있다.
제1 온도 측정부로서 열전쌍(51), 제2 온도 측정부로서 파이로미터(52)를 사용한 경우에는, 양자의 측정 온도(TL, TH)끼리의 사이에, 30℃ 정도의 측정 온도의 어긋남이 발생하는 경우가 있다. 또한, 제1 온도 측정부(열전쌍(51))와 제2 온도 측정부(파이로미터(52))의 배치 위치가 다른 경우에는, 양자의 측정 온도의 어긋남이 커지기 쉽다. 특히 도 1, 도 2에 도시한 바와 같이 한쪽의 온도 측정부(본 예에서는 열전쌍(51))를 스테이지(3)의 외부에 마련하고, 다른 쪽의 온도 측정부(본 예에서는 파이로미터(52))를 스테이지(3)의 내부에 마련하는 경우에는, 이 경향이 현저해진다. 그러나, 기기 배치의 제약이나, 신호선의 배선의 제약 등, 열처리 장치(1)측의 이유에 의해, 이러한 다른 위치에 2개의 온도 측정부를 마련하지 않으면 안되는 경우도 있다. 이러한 경우에도, 본 개시의 가중 평균 온도를 사용한 제어를 행함으로써, 후술하는 평가 결과로부터도 명백해진 바와 같이, 제어 온도의 이행이 원활하게 행하여져, 가열부의 출력이 안정된다.
계속해서, 열처리 장치(8)의 제2 실시 형태에 대해서, 도 9 및 도 10을 참조하여 설명한다. 이 실시 형태는, 가열부로서, 카본 와이어 히터 대신에 예를 들어 가열 램프(84)를 마련한 구성이다. 기밀하게 구성된 처리 챔버(81)의 내부에는, 웨이퍼(W)가 배치되는 스테이지(82)가 마련되고, 이 스테이지(82)는, 처리 챔버(81)에 마련된 지지 부재(821)로 지지되어 있다.
처리 챔버(81)에서의 스테이지(82)의 하방측에는 가열실(83)이 형성되고, 이 가열실(83)의 내부에는, 복수의 가열 램프(84)가 마련되어 있다. 가열 램프(84)는, 예를 들어 텅스텐 램프나 할로겐 램프 등으로 이루어지는 램프 본체(841)와, 반사경(842)을 구비하고 있고, 스테이지(82)를 향해서 소정의 파장의 광을 조사하도록 구성되어 있다.
가열 램프(84)는, 예를 들어 공통의 회전판(843)에 설치되고, 회전판(843)의 하면 중앙에 마련된 회전축(844)을 통해서 회전 기구(845)에 의해, 연직축 주위로 회전 가능하게 구성된다. 가열 램프(84)의 상방측에는, 광을 투과시키는 투과창(85)이 형성되고, 이 투과창(85)에 의해, 처리 챔버(81) 내가 가열실(83)과 프로세스 공간(80)으로 구획되어 있다. 그리고, 투과창(85)을 투과한 광이 스테이지(82)에 흡수됨으로써, 스테이지(82)의 온도가 상승한다. 도 9 중의 부호 86은, 스테이지(82)와 투과창(85)의 사이에 가열 영역(87)을 형성하기 위한 구획 부재이다.
이들 가열 램프(84)의 각 단자는, 예를 들어 도 4에 도시하는 제어계와 마찬가지로, 사이리스터 및 변류기를 통해서 전원부(교류 전원)에 접속되어 있다. 이렇게 해서, 예를 들어 사이리스터에 의해, 가열 램프(84)에 공급하는 전력이 제어되고, 가열 램프(84)는, 스테이지(82)에 배치된 웨이퍼(W)를 가열하는 출력을 변화시킬 수 있도록 구성된다.
이 예에 있어서는, 제1 온도 측정부인 열전쌍(91) 및 제2 온도 측정부인 파이로미터(92)는, 모두 스테이지(82)의 내부에 마련되어 있다. 또한, 파이로미터(92)로서는, 예를 들어 도 10에 도시하는 바와 같이, 스테이지(82)의 주연 영역의 온도 측정용 파이로미터(921)와, 스테이지(82)의 중앙 영역의 온도 측정용 파이로미터(922)가 마련된다. 열전쌍(91) 및 파이로미터(92)(921, 922)는, 예를 들어 도 10에 도시하는 바와 같이, 스테이지(82)의 측벽으로부터 스테이지(82)의 중심을 향해서 수평하게 삽입된다. 가열 램프(84)의 제어계는, 예를 들어 이미 설명한 도 4와 마찬가지로 구성되며, 열전쌍(91) 및 파이로미터(92)의 측정 온도에 기초하여, 설정 온도가 되도록, 가열 램프(84)에 전원부로부터 전력이 공급된다.
이 열처리 장치(8)에서 실시되는 열처리에 대해서, 웨이퍼(W)에 텅스텐(W)막을 형성하는 성막 처리를 예로 들어 간단하게 설명한다. 우선, 도시하지 않은 반입출구로부터 처리 챔버(81) 내에 웨이퍼(W)를 반입하여, 스테이지(82) 상에 배치한다. 그리고, 도시하지 않은 배기부에 의해 진공 배기를 행하여, 처리 챔버(81) 내의 압력을 성막 처리 시의 압력으로 조절한다.
한편, 스테이지(82)는, 가열 램프(84)에 의해, 미리 설정된 설정 온도에 기초하여, 예를 들어 상온에서부터 성막 처리(열처리) 시의 온도, 예를 들어 300℃ 내지 400℃까지 점차 승온하도록 가열된다. 그리고, 열전쌍(91) 및 파이로미터(92)를 사용해서 온도를 측정하여, 기준 온도인 열전쌍(91)의 측정 온도(TL)가 제1 온도보다 낮은 온도 범위에서는, 열전쌍(91)의 측정 온도(TL)에 기초하여, 가열 램프(84)의 출력을 제어한다. 또한, 열전쌍(91)의 측정 온도(TL)가 제2 온도보다 높은 온도 범위에서는, 파이로미터(92)의 측정 온도(TH)에 기초하여, 가열 램프(84)의 출력을 제어한다. 이 예에서는, 2개의 파이로미터(921, 922)를 사용해서 온도가 측정되고 있으므로, 예를 들어 각각의 측정 온도의 평균값에 기초하여 가열 제어를 행해도 된다. 또한, 스테이지(82)의 내측, 외측에서 존 분할되어, 내측의 존은 파이로미터(922)의 측정 온도에 기초하고, 외측의 존은 파이로미터(921)의 측정 온도에 기초하여, 존별로 가열 제어를 행해도 된다.
열전쌍(91)의 측정 온도(TL)가 제1 온도와 제2 온도 사이의 온도 범위 내에서는, 상술한 (1)식에 기초하여, 가중 평균 온도(T')를 산출한다. 그리고, 기준 온도(측정 온도(TL))가 이 온도 범위 내에 있는 경우에는, 산출된 가중 평균 온도(T')에 기초하여, 가열 램프(84)의 출력을 제어한다.
스테이지(82)가 가열 램프(84)에 의해 미리 설정된 온도로 가열되면, 처리 챔버(81) 내에 성막 가스(처리 가스)로서, 예를 들어 육불화텅스텐(WF6) 등을 도시하지 않은 가스 공급구로부터 도입한다. 이렇게 해서, CVD(Chemical vapor deposition)에 의해, 웨이퍼 표면에 텅스텐막을 형성한다. 설정된 두께의 텅스텐막을 성막한 후, 예를 들어 미리 설정된 설정 온도에서 스테이지(82)를 예를 들어 제1 온도보다도 낮은 온도까지 강온시키도록, 가열 램프(84)의 출력을 제어한다. 이 예에서도, 가열부의 출력 제어는 제1 실시 형태와 마찬가지의 방법으로 실시된다.
이 실시 형태에 따르면, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 스테이지(82)에 배치된 웨이퍼(W)를 가열부에 의해 가열해서 열처리하는 데 있어서, 가열부의 출력 제어를 안정되게 행할 수 있다. 이 예에서는, 제1 온도 측정부와 제2 온도 측정부는 모두 스테이지(82)의 내부에 마련되어 있고, 배치 위치가 다름으로 인한 측정 온도의 어긋남은 제1 실시 형태에 비해서 작다고 할 수 있다. 그러나, 제1 온도 측정부와 제2 온도 측정부는, 측정 정밀도가 높은 온도 영역이 서로 다르다. 이 때문에, 이들의 전환 시에 이행 온도대를 마련해서 가중 평균 온도를 사용한 제어를 행하는 것은, 가열부의 출력을 안정시키기 때문에 유효하다.
이상으로, 제1 온도 측정부와 제2 온도 측정부의 사이에서, 저온 영역에서의 측정 정밀도는 제1 온도 측정부쪽이 높고, 고온 영역에서의 측정 정밀도는 제2 온도 측정부쪽이 높은 관계이면 된다. 이 관계에 있으면, 제1 온도 측정부 및 제2 온도 측정부로서, 열전쌍이나 파이로미터 이외의 온도 측정부를 사용할 수 있다. 또한, 측정 정밀도가 높은 온도 영역이 다른 동일한 측정 방식의 온도 측정부를 사용해서 제1 온도 측정부 및 제2 온도 측정부를 구성해도 된다. 예를 들어, 제1 온도 측정부와 제2 온도 측정부로서, 서로 측정 온도 범위가 다른 파이로미터를 사용하도록 해도 된다.
제1 온도 측정부와 제2 온도 측정부의 사이에서, 저온 영역에서의 측정 정밀도는 제1 온도 측정부쪽이 높고, 고온 영역에서의 측정 정밀도는 제2 온도 측정부쪽이 높은 관계이면, 제1 온도 및 제2 온도는 다음과 같이 설정할 수 있다.
제1 온도는, 제1 온도 측정부의 측정 온도(TL)와 실온도의 사이에서 어긋남이 생기기 시작하는 온도(Ta)로 설정하는 경우에 한정되지 않고, 온도(Ta)보다도 낮은 온도나, 허용 범위 내이면 온도(Ta)보다도 높은 온도로 설정할 수 있다. 또한, 제2 온도는, 제2 온도 측정부의 측정 온도(TH)와 실온도의 사이에서 어긋남이 해소되는 온도(Tb)로 설정하는 경우에 한정되지 않고, 허용 범위 내이면 온도(Tb)보다도 낮은 온도나, 온도(Tb)보다도 높은 온도로 설정할 수 있다.
제1 온도를 온도(Ta)로 설정한 경우에는, 측정 온도(TL)가 실온도로부터 어긋나기 시작하는 시점에서, 가중 평균 온도(T')를 이용한 가열 제어가 개시된다. 또한, 제1 온도를 온도(Ta)보다도 낮은 온도로 설정한 경우에는, 측정 온도(TL)와 실온도의 어긋남이 발생하지 않는 상태이어도, 가중 평균 온도(T')를 이용한 가열 제어가 개시된다. 한편, 제1 온도를 온도(Ta)보다도 높은 온도로 설정해도, 예를 들어 이미 설명한 헌팅이 발생하지 않을 정도의 허용 범위 내의 측정 온도의 어긋남이라면, 가중 평균 온도(TC)를 사용한 제어를 행하지 않는 경우에 비해서 가열부의 출력 제어가 안정된다.
제2 온도를 온도(Tb)로 설정한 경우에는, 측정 온도(TH)가 실온도에 일치하는 시점까지, 가중 평균 온도(T')를 이용한 가열 제어가 실시된다. 또한, 제2 온도를 온도(Tb)보다도 높은 온도로 설정한 경우에는, 측정 온도(TL)와 실온도의 어긋남이 해소된 상태라도, 가중 평균 온도(T')를 이용한 가열 제어가 실시되는 시간대가 있다. 한편, 제2 온도를 온도(Tb)보다도 낮은 온도로 설정하면, 측정 온도(TH)와 실온도의 어긋남이 있는 동안에 가중 평균 온도를 이용한 제어를 종료하게 된다. 단, 이 경우에도, 측정 온도의 어긋남이 허용 범위 내일 때는, 가중 평균 온도(T')에 의한 제어를 행하지 않는 경우에 비해서 가열부의 출력 제어는 안정된다.
이상으로 설명한 각 예에서는, 기준 온도로서 제1 온도 측정부의 측정 온도(TL)를 사용한 경우를 예로 들어 설명하였다. 한편, 기준 온도는 제2 온도 측정부의 측정 온도(TH)를 채용해도 된다. 이 경우에는, 예를 들어 온도 산출부는, 이하의 (2)식에 기초하여, 가중 평균 온도(T')를 산출하도록 구성된다. (2)식은, 제2 온도 측정부의 측정 온도(TH)를 기준 온도로 했을 때, 기준 온도의 변화에 따라서 선형적으로 가중 평균 온도의 가중치를 변화시키는 예이다. 이 경우에도, 기준 온도가 제1 온도(T1)에 가까울수록, 측정 온도(TL)의 비율이 크고, 기준 온도가 제2 온도(T2)에 가까울수록, 측정 온도(TH)의 비율이 커지도록, 가중 평균 온도의 가중치가 변화한다.
T'={1-(TH-T1)/(T2-T1)}TL+(TH-T1)/(T2-T1)TH … (2)
제2 온도 측정부의 측정 온도(TH)를 기준 온도로 한 경우에도, 기준 온도인 측정 온도(TH)가 제1 온도(T1)보다도 낮은 온도 범위에서는, 제1 온도 측정부의 측정 온도(TL)에 기초하여 가열부의 출력을 제어한다. 또한, 기준 온도인 측정 온도(TH)가 제1 온도(T1)와 제2 온도(T2)의 사이의 온도 범위 내에 있는 경우에는, (2)식에 기초하여 산출된 가중 평균 온도(T')에 기초하여, 가열부의 출력을 제어한다. 또한, 기준 온도인 측정 온도(TH)가 제2 온도(T2)보다도 높은 온도 범위에서는, 제2 온도 측정부의 측정 온도(TH)에 기초하여, 가열부의 출력을 제어한다.
이와 같이, 제2 온도 측정부의 측정 온도(TH)가 제1 온도(T1)에 도달하면, 산출된 가중 평균 온도(T')에 기초하여 제어가 행하여진다. 따라서, 예를 들어 도 5에 도시한 바와 같이, 제1 온도 측정부의 측정 온도(TL)가 제2 온도 측정부의 측정 온도(TH)보다도 낮게 검출되는 경우에는, 측정 온도(TL)가 제1 온도(T1)에 도달하기 전에, 측정 온도(TH)가 제1 온도(T1)에 도달하여, 가중 평균 온도(T')에 기초하는 제어가 개시된다. 또한, 도 7에 도시하는 바와 같이, 제1 온도 측정부의 측정 온도(TL)가 제2 온도 측정부의 측정 온도(TH)보다도 높게 검출되는 경우에는, 측정 온도(TL)가 제1 온도(T1)에 도달해도, 측정 온도(TH)가 제1 온도(T1)에 도달하지 않아, 가중 평균 온도(T')에 기초하는 제어의 개시가 지연되게 된다.
그래서, 제2 온도 측정부의 측정 온도(TH)를 기준 온도로 하여, 승온 시의 가열 제어를 행하는 경우에는, 제1 온도 측정부의 측정 온도(TL)를 기준 온도로 한 경우와 마찬가지의 타이밍에 가중 평균 온도에 기초하는 제어를 개시할 수 있도록, 가중 평균 온도를 사용해서 가열 제어하는 온도 범위를 변경해도 된다. 도 5, 도 7을 사용해서 설명한 상술한 예에서는, 제1 온도, 제2 온도의 설정값을 낮추는 경우를 예시할 수 있다.
상술한 예에서는, 온도 산출부는, 기준 온도의 변화에 따라서 선형적으로 가중 평균 온도의 가중치를 변화시키도록 구성했지만, 가중 평균 온도의 산출은 (1)식, (2)식에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 가중 평균 온도는, 곡선 등에 따라 비선형적으로 가중치를 변화시키도록 해도 된다.
또한, 제1 온도에서부터 제2 온도까지의 온도 범위에서의, 가중 평균 온도에 기초하는 가열부의 출력 제어는, 열처리에 있어서 기판을 가열할 때의 적어도 승온 시에 실시하면 된다.
또한, 가중 평균 온도에 기초하는 가열부의 출력 제어를, 열처리에서의 승온 시 및 강온 시 모두 실시할 경우에는, 기준 온도가 되는 제1 온도 측정부의 측정 온도와 제2 온도 측정부의 측정 온도에 대해서, 어느 한쪽을 승온 시의 기준 온도로 하고, 다른 쪽을 강온 시의 기준 온도로 하도록 해도 된다.
[실시예]
계속해서, 도 1 및 도 2에 도시하는 열처리 장치(1)를 사용하여, 가중 평균 온도에 기초하는 가열부의 출력 제어를 행한 경우의 평가 결과에 대해서, 도 11 및 도 12를 참조하여 설명한다. 도 11, 도 12 중, 횡축은 시간, 좌측 종축은 온도, 우측 종축은 가열부의 출력 전력이다. 또한, 도 11, 도 12 중, 일점쇄선은 제1 온도 측정부인 열전쌍(51)의 측정 온도(TL), 파선은 제2 온도 측정부인 파이로미터(52)의 측정 온도(TH), 실선은 제어 온도(TC)이다. 도 12는, 측정 개시부터 30분까지의 측정 온도(TL, TH), 제어 온도(TC), 가열부의 출력을 확대해서 나타내는 것이다. 제1 온도(T1)를 300℃, 제2 온도(T2)를 350℃로 각각 설정하고, 제1 실시 형태와 마찬가지의 방법으로, 제1 내지 제3 히터(41 내지 43)의 가열 제어를 실시하였다.
도 11, 도 12에 도시하는 결과로부터, 열전쌍(51)의 측정 온도(TL)는, 측정 개시 온도의 약 220℃에서부터 약 300℃까지는 제어 온도(TC)와 일치되어 있으므로, 당해 측정 온도(TL)에 기초하여 히터(4)의 출력 제어가 행하여지고 있는 것을 알 수 있다. 한편, 가중 평균 온도에 의한 제어가 개시되는 300℃보다 높은 온도에서는, 열전쌍(51)의 측정 온도(TL)와 제어 온도(TC)의 어긋남은 점차 커진다. 또한, 파이로미터(52)의 측정 온도(TH)는, 약 320℃보다 높은 온도에서는 제어 온도(TC)와 일치되어 있다. 이렇게 측정 온도(TH)가 320℃보다 높은 온도에서 제어 온도(TC)와 일치되는 것은, 기준 온도인 측정 온도(TL)가 350℃에 달했기 때문에, (1)식에서 온도(TL)의 가중치가 「0」, 측정 온도(TH)의 가중치가 「1」이 되기 때문이다.
그리고, 350℃ 이상에서는, 당해 측정 온도(TH)에 기초하여 히터(4)의 출력 제어가 행하여지고 있는 것을 알 수 있다. 한편, 320℃보다도 낮은 온도에서는 제어 온도(TC)와의 어긋남이 큰 것이 확인되었다. 또한, 열전쌍(51)과 파이로미터(52) 사이의 전환 시의 이행 온도대에서는, 제어 온도(TC)가 300℃에서부터 350℃까지 직선적으로 승온하는 것이 확인되었다. 또한, 제어 온도(TC)가 220℃에서부터 800℃까지 시간의 경과와 함께 직선적으로 승온하여, 가열부의 출력은 헌팅이 발생하지 않고, 안정되게 제어되고 있는 것이 확인되었다.
도 13은, 비교예의 평가 결과를 나타내는 것이다. 이 비교예는, 도 1 및 도 2에 도시하는 열처리 장치(1)를 사용하여, 가중 평균 온도에 기초하는 가열부의 출력 제어를 행하지 않고, 300℃ 근방의 온도에서 온도 측정부를 열전쌍(51)에서 파이로미터(52)로 전환한 예를 나타낸다. 도 13 중, 횡축은 시간, 좌측 종축은 온도, 우측 종축은 가열부의 출력 전력, 일점쇄선은 열전쌍(51)의 측정 온도(TL), 파선은 파이로미터(52)의 측정 온도(TH), 실선은 제어 온도(TC)이다.
도 13에 도시하는 결과로부터, 열전쌍(51)에서 파이로미터(52)로의 전환 시에는, 제어 온도(TC)(즉, 파이로미터(52)의 측정 온도(TH)) 및 가열부의 출력에, 큰 헌팅이 발생하는 것이 확인되었다. 이 헌팅은, 이미 설명한 바와 같이, 열전쌍(51)의 측정 온도(TL)와 파이로미터(52)의 측정 온도(TH)의 어긋남에 기인해서 발생한다. 이 예에서는, 열전쌍(51)에서 파이로미터(52)로의 전환 시에는, 열전쌍(51)의 측정 온도(TL)에 보정 계수를 곱하여, 측정 온도(TL, TH)의 어긋남을 저감하고 있다. 그러나, 실제로는, 측정 온도(TL, TH)에 어긋남이 있기 때문에, 이 어긋남을 해소하려고 제어 온도(TC)가 크게 변동하여, 이에 수반해서 가열부의 출력이 크게 증감한다. 이 예에서는 헌팅은, 파이로미터(52)의 측정 온도(TH)가 안정될 때까지, 약 10분간 계속되고 있으며, 열처리 시마다 이러한 헌팅이 발생하면, 스테이지(3)에 대미지가 축적되어, 손상이나 파손으로 이어질 우려가 생긴다.
본 개시의 기판을 열처리하는 장치는, 제1 실시 형태 및 제2 실시 형태의 장치에 한정되지는 않고, 가열부의 구성도 적절히 설정 가능하다. 또한, 기판에 대하여 실시되는 열처리는, 성막 처리, 개질 처리 이외에, 에칭 처리 등도 포함된다. 또한 본 개시를 적용 가능한 기판은, 반도체 웨이퍼(W)에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, FPD(Flat Panel Display)의 유리 기판이어도 된다.
금회 개시된 실시 형태는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 상기 실시 형태는, 첨부의 청구범위 및 그 주지를 일탈하지 않고, 다양한 형태에서 생략, 치환, 변경되어도 된다.

Claims (14)

  1. 기판을 열처리하는 장치이며,
    상기 기판이 배치되는 스테이지와,
    상기 스테이지에 배치된 상기 기판을 가열하는 출력을 변화시킬 수 있도록 구성되는 가열부와,
    상기 가열부에 의해 상기 기판을 가열하는 온도를 측정하도록 구성되는 제1 온도 측정부와,
    상기 가열부에 의해 상기 기판을 가열하는 온도를 측정하도록 구성되고, 제1 온도보다 저온의 제1 영역에서는 상기 제1 온도 측정부보다도 측정 정밀도가 낮고, 상기 제1 온도보다도 높은 온도인 제2 온도보다 고온의 제2 영역에서는 상기 제1 온도 측정부보다도 측정 정밀도가 높은, 제2 온도 측정부와,
    상기 제1 온도 측정부의 측정 온도와 상기 제2 온도 측정부의 측정 온도의 어느 한쪽을 기준 온도로 했을 때, 상기 기준 온도가, 상기 제1 온도와 상기 제2 온도의 사이의 온도 범위 내에 있는 경우에, 상기 제1 온도 측정부의 측정 온도와, 상기 제2 온도 측정부의 측정 온도의 가중 평균 온도를 산출하도록 구성됨과 함께, 상기 기준 온도가 상기 제1 온도에 가까울수록, 상기 제1 온도 측정부의 측정 온도의 비율이 크고, 당해 기준 온도가 상기 제2 온도에 가까울수록, 상기 제2 온도 측정부의 측정 온도의 비율이 커지도록, 상기 가중 평균 온도의 가중치를 변화시키도록 구성되는 온도 산출부와,
    상기 제1 온도에서부터 상기 제2 온도까지의 온도 범위에서는, 상기 온도 산출부에 의해 산출한 상기 가중 평균 온도에 기초하여 상기 가열부의 출력을 제어하도록 구성되는 제어부를 포함하는, 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 온도 산출부는, 상기 기준 온도의 변화에 따라서 선형적으로 상기 가중치를 변화시키도록 구성되는, 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 기준 온도가 상기 제1 온도보다 낮은 온도 범위에서는, 상기 제1 온도 측정부의 측정 온도에 기초하여 상기 가열부의 출력을 제어하고, 상기 기준 온도가 상기 제2 온도보다 높은 온도 범위에서는, 상기 제2 온도 측정부의 측정 온도에 기초하여 상기 가열부의 출력을 제어하도록 구성되는, 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 온도 측정부는, 열전쌍을 사용해서 온도를 측정하도록 구성되고, 상기 제2 온도 측정부는, 열방사의 감지 결과에 기초하여 온도를 측정하도록 구성되는, 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1 온도는 300℃이고, 상기 제2 온도는 350℃인, 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 온도 측정부와, 상기 제2 온도 측정부는 배치 위치가 다른, 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1 온도 측정부와 상기 제2 온도 측정부 중 한쪽의 온도 측정부는, 상기 스테이지의 외부에 배치되고, 다른 쪽의 온도 측정부는, 상기 스테이지의 내부에 배치되는, 장치.
  8. 기판을 열처리하는 방법이며,
    스테이지에 기판을 배치하는 공정과,
    제1 온도 측정부를 사용하여, 상기 스테이지에 배치된 기판을 가열하는 온도를 측정하는 공정과,
    제1 온도보다 저온의 제1 영역에서는 상기 제1 온도 측정부보다도 측정 정밀도가 낮고, 상기 제1 온도보다도 높은 온도인 제2 온도보다 고온의 제2 영역에서는 상기 제1 온도 측정부보다도 측정 정밀도가 높은, 제2 온도 측정부에 의해, 상기 스테이지에 배치된 기판을 가열하는 온도를 측정하는 공정과,
    상기 제1 온도 측정부의 측정 온도와 상기 제2 온도 측정부의 측정 온도의 어느 한쪽을 기준 온도로 했을 때, 상기 기준 온도가, 상기 제1 온도와 상기 제2 온도의 사이의 온도 범위 내에 있는 경우에, 상기 제1 온도 측정부의 측정 온도와, 제2 온도 측정부의 측정 온도의 가중 평균 온도를 산출하는 공정과,
    상기 가중 평균 온도를 산출하는 공정에서, 상기 기준 온도가 상기 제1 온도에 가까울수록, 상기 제1 온도 측정부의 측정 온도의 비율이 크고, 상기 기준 온도가 상기 제2 온도에 가까울수록, 상기 제2 온도 측정부의 측정 온도의 비율이 커지도록, 상기 가중 평균 온도의 가중치를 변화시키는 공정과,
    상기 제1 온도에서부터 상기 제2 온도까지의 온도 범위에서는, 상기 가중 평균 온도에 기초하여, 상기 기판을 가열하도록 구성된 가열부의 출력을 변화시키는 공정을 포함하는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 가중 평균 온도의 가중치를 변화시키는 공정에서는, 상기 기준 온도의 변화에 따라서 선형적으로 상기 가중치를 변화시키는, 방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 기준 온도가 상기 제1 온도보다 낮은 온도 범위에서는, 상기 제1 온도 측정부의 측정 온도에 기초하여 상기 가열부의 출력을 제어하는 공정과,
    상기 기준 온도가 상기 제2 온도보다 높은 온도 범위에서는, 상기 제2 온도 측정부의 측정 온도에 기초하여 상기 가열부의 출력을 제어하는 공정을 포함하는, 방법.
  11. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 제1 온도 측정부는, 열전쌍을 사용해서 온도를 측정하도록 구성되고, 상기 제2 온도 측정부는, 열방사의 감지 결과에 기초하여 온도를 측정하도록 구성되는, 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1 온도는 300℃이고, 상기 제2 온도는 350℃인, 방법.
  13. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 제1 온도 측정부와, 상기 제2 온도 측정부는 배치 위치가 다른, 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제1 온도 측정부와 상기 제2 온도 측정부 중 한쪽의 온도 측정부는, 상기 스테이지의 외부에 배치되고, 다른 쪽의 온도 측정부는, 상기 스테이지의 내부에 배치되는, 방법.
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