KR20050088989A - 열처리 장치 및 열처리 방법 - Google Patents

열처리 장치 및 열처리 방법 Download PDF

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Abstract

열처리 장치는 상하 방향으로 분할된 3개의 영역을 갖는 반응 용기와, 기판을 지지하는 기판 보유 지지구와, 반응 용기의 측방에 영역마다 마련된 히터 및 제어부를 갖고 있다. 각 제어부에는 각각이 담당하는 영역의 온도를 검출하는 온도 검출부가 접속된다. 중단 영역의 온도 검출부는 상하단 영역에 대응하는 제어부에도 접속된다. 상하단 영역의 제어부는 기판 보유 지지구의 반입시, 중단 영역에 있어서의 온도 검출부에 의한 온도 검출치를 온도 목표치로서 상기 영역의 온도 검출치를 기초로 하여 연산하여 히터의 제어 신호를 출력한다.

Description

열처리 장치 및 열처리 방법{HEAT TREATMENT SYSTEM AND HEAT TREATMENT METHOD}
본 발명은 반도체 웨이퍼 등의 기판에 대해 열처리를 행하는 열처리 장치 및 열처리 방법에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 제조 공정에 있어서 이용되는 다수매의 반도체 웨이퍼(이하 웨이퍼라 함)에 대해 예를 들어 CVD(chemical vapor deposition: 화학 기상 증착)에 의한 성막 처리나 산화 및 확산 처리 등의 열처리를 일괄해서 행하는 종형 열처리 장치가 있다. 이 장치는 웨이퍼 보트라 불리는 보유 지지구에 다수매의 웨이퍼를 선반 형상으로 보유 지지시키고, 그 후 예를 들어 종형의 열처리로 내에 상기 보유 지지구를 예를 들어 하방측으로부터 반입하고, 처리 분위기를 소정 온도의 가열 분위기 및 열처리를 행하는 것이다. 일반적으로 열처리로는 피가열 영역을 상하로 복수로 분할하고, 각 영역마다 온도 제어할 수 있게 복수의 가열 수단 및 각각에 대응하는 온도 제어 수단을 구비한 구성으로 되어 있다.
그런데 본 발명자는 가열 수단으로서 카본 와이어 히터를 사용한 도8에 도시한 바와 같은 종형 열처리 장치를 검토하고 있다. 도8 중, 부호 101은 하방측이 개방된 반응 용기이며, 그 주위에는 예를 들어 상하 3단으로 분할된 히터(200)가 설치되어 있다. 히터(200)는 열처리 영역의 대부분을 가열하는 메인 히터(202)와, 그 상하에 설치되는 서브 히터(201, 203)에 의해 구성되어 있다. 이 장치는 다수매의 웨이퍼(W)를 선반 형상으로 보유 지지하는 웨이퍼 보트(103)가 개구부(102)를 통해 반응관(101) 내로 반입되면, 상기 웨이퍼 보트(103)의 하단에 설치되는 덮개(104)가 개구부(102)를 폐쇄하고, 반응관(101) 내를 소정 온도로 가열하여 소정의 열처리가 행해진다.
또한, 각 히터(200)가 담당하는 열처리 분위기의 온도를 각각 검출하도록, 반응관(101)의 내측에는 내부 열전대[300(301 내지 303)]가, 또한 각 히터(200)의 근방 부위에는 외부 열전대[400(401 내지 403)]가 각각 설치되어 있고, 각 열전대(300, 400)로부터 얻어지는 온도 검출치를 각 히터[200(201 내지 203)]마다 설치되는 제어부[500(501 내지 503)]로 도입하도록 구성되어 있다. 즉, 제어부[500(501 내지 503)]는 상기 온도 검출치와 각 단마다 설정되는 온도 목표치를 기초로 하여, 대응하는 히터[200(201 내지 203)]마다 별개의 발열량 제어를 행하는 것이 가능하게 되어 있다.
그런데, 웨이퍼 보트(103)의 반입시에 있어서 하부측의 서브 히터(203) 근방은 개구부(102)를 통해 반응관(101) 내로 유입하는 외부 분위기의 영향을 받고, 메인 히터(202) 근방에 비해 온도가 낮아지고 있다. 이러한 상황하에서 개구부(102)로부터 차가워진[반응관(101) 내의 분위기보다도 온도가 낮음] 웨이퍼(W) 및 웨이퍼 보트(103)가 반입되면, 우선 서브 히터(203) 근방의 온도가 더욱 저하되고, 웨이퍼 보트(103)가 상승함에 따라서 메인 히터(202) 근방 및 상부측의 서브 히터(201) 근방도 영향을 받아 온도가 저하된다.
따라서 히터(200) 근방의 온도는 상부측일수록 높아지고, 또한 웨이퍼(W) 및 웨이퍼 보트(103)의 온도는 그 위치가 상승함에 따라서 히터(200)에 의해 따뜻하게 되어 서서히 높아지고 있으므로, 히터(200) 근방에 있어서의 상하 방향의 온도 분포는 웨이퍼 보트(103)의 위치에 따라서 시시각각으로 변화하게 된다. 이로 인해 하단부 측의 서브 히터(203) 근방의 온도가 웨이퍼 보트(103)의 반입에 의해 급격히 저하되므로 제어부(503)는 서브 히터(203)에의 투입 전력을 크게 하도록 작용한다. 이에 대해 메인 히터(202) 근방의 온도는 웨이퍼 보트(103)의 투입에 의해 저하되지만 그 정도는 서브 히터(203) 근방보다도 적기 때문에 제어부(502)에 의한 전력의 투입량은 그만큼 크지 않다. 이와 같이 메인 히터(202)의 온도 제어와 서브 히터(203)의 온도 제어가 서로 다른 것이 되고, 게다가 히터(200) 근방에 있어서의 상하 방향의 온도 분포의 변화에 따라서 그 다른 방법도 변화하고, 또한 양쪽 영역의 온도 변화가 서로 영향을 받게 된다.
이러한 온도 제어 상태가 다른 현상은 상단부 측의 서브 히터(201)와 메인 히터(202) 사이에서도 발생하고, 이 결과 웨이퍼 보트(103)의 반입(로딩) 종료 후에 있어서의 각 히터(200) 근방의 온도의 안정화에 시간이 걸리게 되어 버린다는 문제가 발생하고 있었다. 웨이퍼 보트(103)의 반입 후, 통상 반응관(101) 내부를 소정의 프로세스 온도까지 승온하지만, 승온 전에 반응관(101) 내의 온도가 안정적이지 않으면 승온 후 온도의 안정화에 시간이 걸리게 되어 버리므로, 결국 처리량이 저하되게 되어 버린다.
도1은 본 발명에 관한 열처리 장치의 실시 형태를 도시하는 종단면도이다.
도2는 본 실시 형태에서 사용되는 제어부 및 그 관련 부위를 도시하는 블록도이다.
도3은 상기 제어부 내에 설치되는 제1 연산부의 내부 구성을 도시하는 블록도이다.
도4는 상기 제어부 내에 설치되는 제2 연산부의 내부 구성을 도시하는 블록도이다.
도5는 본 실시 형태에 있어서의 온도의 시간 경과 따른 변화와 사용하는 연산부와의 관계를 나타내는 작용 설명도이다.
도6은 상기 제1 연산부에 있어서의 작용을 설명하기 위한 작용 설명도이다.
도7은 웨이퍼 보트 반입시의 각 외부 열전대에 있어서의 온도 변화의 형태를 나타내는 특성도이다.
도8은 종래의 열처리 장치의 전체 구조를 도시하는 종단면도이다.
본 발명은 이러한 사정을 기초로 하여 이루어진 것으로, 그 목적은 복수 영역으로 분할된 열처리 분위기 내에서 기판의 처리를 행함에 있어서, 각 영역마다의 온도를 신속하게 안정시킬 수 있어 처리량의 향상을 도모할 수 있는 기술을 제공하는 데 있다.
본 발명은 복수의 영역으로 분할된 반응 용기와, 복수의 기판을 지지하는 동시에 반응 용기 내로 반입되는 기판 보유 지지구와, 각 영역마다 마련된 가열 수단과, 각 영역마다 마련된 온도 검출부와, 각 영역마다 마련되고, 각 가열 수단을 독립하여 제어하는 제어부를 구비하고, 하나의 영역에 대응하는 제어부는 상기 기판의 반입시에는 상기 하나의 영역에 대응하는 온도 검출부의 온도 검출치를 기초로 하여, 다른 영역에 대응하는 온도 검출부의 온도 검출치를 온도 목표치로서 연산을 행하고, 그 연산 결과를 가열 수단의 제어 신호로서 출력하는 제1 연산부를 갖는 것을 특징으로 하는 열처리 장치이다.
본 발명은, 온도 검출부는 가열 수단 근방의 온도를 검출하는 제1 온도 검출부를 포함하고, 상기 다른 영역에 대응하는 온도 검출부의 온도 검출치는 제1 온도 검출부의 온도 검출치인 것을 특징으로 하는 열처리 장치이다.
본 발명은, 온도 검출부는 반응 용기 내의 온도를 검출하는 제2 온도 검출부를 포함하고, 상기 다른 영역에 대응하는 온도 검출부의 온도 검출치는 제2 온도 검출부의 온도 검출치인 것을 특징으로 하는 열처리 장치이다.
본 발명은, 하나의 영역에 대응하는 제어부는 기판을 열처리할 때에는, 상기 하나의 영역으로 설정된 온도 목표치와 상기 하나의 영역에 대응하는 온도 검출부의 온도 검출치를 기초로 하여 연산을 행하고, 그 연산 결과를 가열 수단의 제어 신호로서 출력하는 제2 연산부를 더 갖는 것을 특징으로 하는 열처리 장치이다.
본 발명은, 온도 검출부는 가열 수단 근방의 온도를 검출하는 제1 온도 검출부와, 반응 용기 내의 온도를 검출하는 제2 온도 검출부를 갖고, 하나의 영역에 대응하는 제어부의 제1 연산부는 기판의 반입시에는, 다른 영역에 대응하는 제1 온도 검출부 또는 제2 온도 검출부의 온도 검출치를 온도 목표치로서 연산을 행하고, 그 연산 결과를 가열 수단의 제어 신호로서 출력하여 하나의 영역에 대응하는 제어부는 기판을 열처리할 때에는, 상기 하나의 영역으로 설정된 온도 목표치와 상기 영역에 대응하는 제1 온도 검출부 및 제2 온도 검출부의 각 온도 검출치를 기초로 하여 연산을 행하고, 그 연산 결과를 가열 수단의 제어 신호로서 출력하는 제2 연산부를 더 갖는 것을 특징으로 하는 열처리 장치이다.
본 발명은, 하나의 영역에 대응하는 제어부의 제1 연산부는 다른 영역에 대응하는 온도 검출부의 온도 검출치에 보정치를 가산한 값과 상기 하나의 영역에 대응하는 온도 검출부의 온도 검출치와의 편차분을 기초로 하여 연산을 행하고, 그 연산 결과를 가열 수단의 제어 신호로서 출력하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치이다.
본 발명은, 하나의 영역에 대응하는 제어부의 제1 연산부는 기판을 열처리할 때에 하나의 영역으로 설정된 온도 목표치와 다른 영역에 대응하는 온도 목표치와의 차분을 보정치로서 이용하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치이다.
본 발명은, 하나의 영역에 대응하는 제어부의 제1 연산부는 상기 편차분에 소정의 비율을 곱한 값을 기초로 하여 연산을 행하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치이다.
본 발명은, 반응 용기는 종형으로 구성되는 동시에, 기판 보유 지지구는 반응 용기의 하방측으로부터 반입되고, 반응 용기 내부는 상하 방향으로 적어도 3단으로 분할되어 상기 하나의 영역은 최하단 영역이며, 상기 다른 영역은 최상단 이외의 영역인 것을 특징으로 하는 열처리 장치이다.
본 발명은, 복수의 영역으로 분할된 반응 용기 내에 복수의 기판을 지지하는 기판 보유 지지구를 반입하고, 상기 복수의 영역에 각각 대응하는 가열 수단에 의해 각 영역을 가열하는 열처리 방법에 있어서, 각 영역에 대응하는 온도를 검출하는 공정과, 온도 목표치와 각 영역마다의 온도 검출치를 기초로 하여 각 가열 수단을 제어하는 공정을 구비하고, 상기 기판 보유 지지구의 반입시에는 하나의 영역에 있어서의 온도 목표치로서 다른 영역에 대응하는 온도 검출치를 이용하여 가열 수단을 제어하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법이다.
본 발명은, 상기 기판 보유 지지구의 반입시에 있어서, 하나의 영역에 있어서의 온도 목표치는 다른 영역에 대응하는 온도 검출치에 보정치를 가산한 값으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열처리 방법이다.
본 발명은, 상기 기판 보유 지지구의 반입시에 있어서, 기판을 열처리할 때 하나의 영역으로 설정된 온도 목표치와 다른 영역에 대응하는 온도 목표치와의 차분을 보정치로서 이용하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법이다.
본 발명은, 상기 기판 보유 지지구의 반입시에 있어서, 상기 하나의 영역에 대응하는 가열 수단을 제어할 때, 상기 영역의 온도 검출치와, 다른 영역에 대응하는 온도 검출치로부터 구해지는 온도 목표치 또는 온도 목표치에 보정치를 가산한 값과의 편차분에 소정의 비율을 곱한 값을 기초로 하여 연산을 행하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법이다.
본 발명에 따르면, 기판을 반응 용기 내로 반입할 때에, 하나의 영역의 온도 제어가 다른 영역의 온도 제어에 추종하기 때문에, 기판을 반입한 후 신속하게 반응 용기 내의 온도가 안정된다. 예를 들어 그 후 반응 용기 내의 온도를 프로세스 온도까지 승온하면 신속하게 프로세스 온도로 안정된다. 또 본 발명은, 기판 반입시의 각 영역의 온도와 프로세스시의 각 영역의 온도 등이 동일한 경우도 적용할 수 있다.
도1은 본 발명을 종형 열처리 장치에 적용한 실시 형태의 전체 구성도이다. 우선 이 종형 열처리 장치의 전체 구성에 대해 간단히 서술해 두면, 이 장치는, 예를 들어 양단부가 개구되어 있는 내관(1a) 및 상단부가 폐색되어 있는 외관(1b)으로 이루어지는 예를 들어 석영제의 이중 구조의 반응관(1)을 구비하고 있다. 반응관(1) 내부는 상하 방향으로 3개의 영역(Z1, Z2, Z3)으로 구획되어 있다. 반응관(1)의 주위에는 통형의 단열 부재(21)가 베이스 부재(22)에 고정하여 설치되고, 이 단열 부재(21)의 내측에는 가열 수단인 예를 들어 저항 발열체로 이루어지는 히터(3) 및 천정 히터(31)가 설치되어 있다. 히터(3)는 예를 들어 상하로 3단 분할(3a, 3b, 3c)하여 단열 부재(21)의 측벽에 설치되고, 천정 히터(31)는 천정부에 설치되어 있다. 그리고 히터(3a)는 영역(Z1)에, 히터(3b)는 영역(Z2)에, 히터(3c)는 영역(Z3)에 각각 대응하여 설치되어 있다.
히터[3(3a 내지 3c)] 중 중단 영역(Z2)의 히터(3b)는, 도1에 도시한 바와 같이 반응관(1) 내의 대부분의 열처리 분위기를 형성하는 이른바 메인 히터이며, 그 상하에 배치되는 히터(3a, 3c)는 각각 반응관(1)의 상단부 및 하단부의 열처리 분위기를 형성하는 메인 히터(3b)보다도 소형인 이른바 서브 히터이다. 히터(3)의 소재로서는, 예를 들어 선 직경 10 미크론 전후의 고순도의 카본 파이버의 다발을 복수 이용하여 짜 넣음으로써 형성된 카본 와이어를 세라믹스, 예를 들어 외부 직경이 수십 밀리가 투명한 석영관 속에 밀봉된 것을 이용할 수 있다. 또 히터(3)는 이에 한정되는 것은 아니며 예를 들어 철 - 탄탈 - 카본 합금 등의 금속체라도 좋다.
내관(1a) 및 외관(1b)은 하부측에서 통형의 매니폴드(23) 상에 지지되고, 이 매니폴드(23)에는 내관(1a)의 내측의 하부 영역에 공급구가 개구되도록 가스 공급관(24)이 설치되는 동시에, 내관(1a)과 외관(1b) 사이로부터 배기하도록 도시하지 않은 진공 펌프에 일단부 측이 접속된 배기관(25)이 접속되어 있다. 이 예에서는 내관(1a), 외관(1b) 및 매니폴드(23)에 의해 반응 용기가 구성된다.
또한 매니폴드(23)의 하단 개구부를 페색하도록 덮개(11)가 설치되어 있고, 이 덮개(11)는 보트 엘리베이터(12) 상에 설치되어 있다. 덮개(11) 상에는 보온 유닛(13)과, 보트 엘리베이터(12)에 설치되는 구동부(14)와 접속하고, 보온 유닛(13) 내부를 관통하여 설치되는 회전축(15)과, 이 회전축(15)에 의해 그 하단부를 회전 가능하게 보유 지지되는 기판 보유 지지구를 이루는 웨이퍼 보트(16) 등이 설치되어 있다. 웨이퍼 보트(16)는 다수의 기판인 웨이퍼(W)를 선반 형상으로 보유 지지할 수 있는 구성으로 되어 있고, 또한 보온 유닛(13)은 석영 핀 등의 단열 유닛(13a) 및 발열체 유닛(13b) 등을 조합한 구성으로 되어 있다.
내관(11a) 내에는 열전대용의 가는 석영관(40)이 설치되어 있고, 이 석영관(40) 내에는, 예를 들어 3단으로 분할된 각 히터[3(3a, 3b, 3c)]가 담당하는 영역(Z1, Z2, Z3)의 온도를 각각 검출하도록 각 영역(Z1 내지 Z3)마다 내부 온도 검출부인 3개의 내부 열전대(제2 온도 검출부)[4(4a, 4b, 4c)]가 설치되어 있다. 또한, 히터[3(3a, 3b, 3c)]의 근방에는 히터[3(3a, 3b, 3c)]의 온도를 각각 검출하는 외부 온도 검출부인 외부 열전대(제1 온도 검출부)[5(5a, 5b, 5c)]가 각 영역(Z1 내지 Z3)마다 설치되어 있다.
그리고, 각 단 영역(Z1 내지 Z3)의 히터[3(3a, 3b, 3c)]에 대응하여 전력을 공급하는 전력 공급부[20(20a, 20b, 20c)] 및 각각의 전력 공급부[20(20a, 20b, 20c)]의 공급 전력을 제어하여 각 히터[3(3a, 3b, 3c)]의 발열량을 제어하기 위한 제어부(6, 7, 8)가 설치되어 있다. 상세한 것은 후술하지만 관련 부위의 배선 구성에 대해 간단히 설명해 두면, 내부 열전대[4(4a, 4b, 4c)] 및 외부 열전대[5(5a, 5b, 5c)]는 각각이 대응하는 각 단 영역(Z1 내지 Z3)의 제어부(6, 7, 8) 중 어느 하나로 접속되고, 히터(3b)가 담당하는 중단 영역(Z2)에 설치된 외부 열전대(5b)로부터 연장되는 신호선은 도중에서 분기하여 제어부(7)뿐만 아니라 제어부(6, 8)에도 접속된다. 또한 단열 부재(21)의 천정부에 설치한 천정 히터(31)에 있어서도, 히터[3(3a, 3b, 3c)]와 같이 열전대(32)가 설치되어 있고, 제어부(33)로부터 전력 공급부(34)를 통해 히터(31)에 대한 급전량을 제어함으로써, 발열량의 조절을 행하는 구성으로 되어 있다.
히터[3(3a, 3b, 3c)] 및 이에 접속하는 제어부(6, 7, 8)에 있어서, 상기한 바와 같은 배선 구조로 하고 있는 이유는, 히터(3)를 각 단 영역(Z1 내지 Z3)마다 별개로 제어하는 경우와, 메인 히터를 이루는 히터(3b)에 대응하는 외부 열전대(5b)의 온도 검출치를 다른 부위에서 이용하여, 히터(3a, 3c)에서는 이른바 추종 제어를 행하는 경우로 절환하는 운용을 가능하게 하기 때문이다. 이하 도2를 참조하면서 본 실시 형태의 주요부를 이루는 히터(3)의 제어계의 구성에 대해 설명을 행한다.
우선 제어부(6, 8)는 상술한 바와 같이 2개의 연산 방법을 구분하여 사용할 필요가 있다. 이로 인해 제어부(6)는 제1 연산부(61)와 제2 연산부(62)를 갖고, 제어부(8)는 제1 연산부(81)와 제2 연산부(82)를 갖고 있다. 연산 방법을 절환할 필요가 없는 제어부(7)는 제2 연산부(72)만을 갖고 있다(부호 71은 편의적으로 결번으로 함). 즉, 제어부(6, 8)의 제1 연산부(61, 81)는 제어부(6, 8)가 제어부(7)에 추종[정확하게는 제어부(7)가 담당하는 영역(Z2)으로부터 얻어지는 온도 검출치에 추종)하는 연산을 행할 때에 사용되는 것이다. 이로 인해, 상술한 외부 열전대(5b)로부터 연장되는 신호선은 제어부(6)에서는 제1 연산부(61)로, 제어부(8)에서는 제1 연산부(81)로 각각 접속된다.
한편, 제2 연산부(62, 72, 82)는 대응하는 영역(Z1 내지 Z3)마다 설치된 내부 열전대[4(4a, 4b, 4c)] 및 외부 열전대[5(5a, 5b, 5c)]로부터 얻어지는 온도 검출치와, 각각 별개로 각 영역(Z1 내지 Z3) 전용으로 설정되는 온도 목표치를 기초로 하여 연산이 행해지기 때문에, 제2 연산부(62, 72, 82)에는 내부 열전대(4a, 4b, 4c), 외부 열전대(5a, 5b, 5c) 및 목표치 출력부(63, 73, 83)가 접속된다. 그리고 제1 연산부(61, 81) 또는 제2 연산부(62, 72, 82)에서 출력되는 연산 결과는, 제어 신호로서 전력 공급부[20(20a, 20b, 20c)]로 출력되는 구성으로 되어 있다. 또한 제어부(6, 8)에서는 절환부(64, 84)에 의해 제1 연산부(61, 81) 또는 제2 연산부(62, 82) 중 어느 하나를 사용하는지 선택할 수 있게 되어 있다.
여기서 제1 연산부(61, 81)의 구성을 설명하거나, 이들은 동일한 구조를 갖고 있으므로, 제1 연산부(81)를 예로 들어 도3을 참조하면서 설명한다. 도3 중 부호 811은 비교 연산부, 부호 812는 보정치 출력부이며, 비교 연산부(811)에서는 중단 영역(Z2)에 설치된 외부 열전대(5b)의 온도 검출치를 온도 목표치로 하고, 이 온도 목표치에 대해 보정치 출력부(812)로부터 출력되는 보정치를 가산하고, 또한 하단 영역(Z3)에 설치된 외부 열전대(5c)의 온도 검출치를 제한다. 상기 보정치는 중단 영역(Z2) 및 하단 영역(Z3)에 있어서의 프로세스시의 목표 온도의 차를 보정하기 위한 이른바 정적인 보정 요소이다. 구체적으로는 이 보정치는 예를 들어 후술하는 제2 연산부(72, 82)에서 이용하는 목표치 출력부(73, 83)로부터 출력되는 양쪽 온도 목표치의 차분치로서 구해진다.
비교 연산부(811)의 출력측에는, 그 출력치(편차분)(q1)에 대해 소정의 계수(k)를 곱하는 승산부(813)가 마련된다. 이미 서술한 바와 같이 제어부(8)가 대응하는 하단 영역(Z3)은 반응관(1a)의 하방측 개구부에 가장 가깝고, 웨이퍼 보트(16)와 함께 유입되어 오는 차가워진 공기의 영향을 받기 쉽기 때문에, 중단 영역(Z2)에 비해 승온에 요하는 가열 출력이 많아진다. 이러한 것을 고려하여, 승산부(813)에서는 비교 연산부(811)로부터의 출력의 증가분을 출력치에 반영하기 위해 상기한 바와 같이 출력치(q1)에 대해 소정의 계수(k)를 곱하도록 이른바 동적인 보정을 행한다. 승산부(813)에 있어서는, 계수(k)의 값은 예를 들어 1.2[냉기의 영향이 작은 상단 영역(Z1)에 대응하는 제1 연산부(61)에서는 예를 들어 0.8]가 이용된다. 이 출력치에 대해서는 적분 요소(I1), 비례 요소(P1), 미분 요소(D1)에 대한 각종 연산(PID 연산)이 행해지고, 혼합부(814)를 통해 상기 편차분(q1)에 따른 전력 공급을 행하기 위한 출력치(B1)가 출력된다.
다음에 제2 연산부(62, 72, 82)의 구성을 설명하지만, 상술한 제1 연산부인 경우와 마찬가지로 모두 동일한 구조를 갖고 있기 때문에, 제2 연산부(82)를 예로 들어 도4를 참조하면서 설명한다. 이 제2 연산부(82)는 내부 열전대(4c)에 있어서의 온도 검출치를 메이저 루프에 조립하고, 외부 열전대(5c)의 온도 검출치를 마이너 루프에 조립한 캐스케이드 제어를 행하여 제어 신호(B2)를 얻는 것이고, 부호 821 내지 824는 비교 연산부, I1은 적분 요소, P2는 비례 요소, D2는 적분 요소를 나타낸다.
그런데, 지금까지 설명해 온 제어부(6)는, 실제로는 CPU, 프로그램을 저장한 ROM 및 온도 설정치를 기록한 메모리 등에 의해 구성되고, 또는 각 연산 프로그램에 의해 소프트적으로 행해지는 것인지만, 본 실시 형태에서는 이러한 연산을 하드 구성으로 행해도 좋다. 또한 절환부(84, 64)에 있어서의 제1 연산부(81, 61)로부터 제2 연산부(82, 2)로의 절환 타이밍은, 예를 들어 웨이퍼 보트(16)를 반입한 후 승온 전에 반응 용기 내의 온도가 안정된 것을 검출하였을 때, 혹은 웨이퍼 보트(16)를 반입한 후 소정 시간이 경과된 후 등으로 할 수 있고, 그 반대로 절환 타이밍 예를 들어 프로세스 후에 반응 용기 내부가 소정의 온도로 강온하였을 때 등으로 할 수 있다.
다음에 상술한 실시 형태의 작용에 대해 설명한다.
상기의 장치에 있어서의 웨이퍼(W)에 대한 가열은, 상기 반응관(1)의 측방 측에 설치되는 히터(3)와 상부측에 설치되는 천정 히터(31)로 행해진다. 본 실시 형태에 있어서의 주요부는 분할하여 설치되는 히터[3(3a, 3b, 3c)]의 제어 방식에 있으므로, 이 점에 주목하면서 도5도 참조하여 설명을 행한다. 우선 기판인 웨이퍼(W)를 선반 형상으로 탑재한 웨이퍼 보트(16)는, 도5의 t1 시점에 있어서 보트 엘리베이터(12)를 상승시킴으로써 반응 용기[반응관(1) 및 매니폴드(23)] 내로 반입되기 시작한다. 이 때 반응관(1) 내부는 이미 소정의 온도 예를 들어 600 ℃ 정도가 되도록 가열되어 있고, 상하단 영역(Z1, Z3)에 대응하는 제어부(6, 8)에서는,이미 서술한 바와 같이 중단 영역(Z2)의 온도 제어에 추종하도록 절환부(64, 84)에서 제1 연산부(61, 81)가 선택되어 있다.
우선 웨이퍼 보트(16)의 상단부가 반응 용기 내에 진입하기 시작하면, 웨이퍼 보트(16) 및 웨이퍼(W)는 그것까지 반응 용기 외에 위치하고 있었으므로 차가워지고 있고, 이로 인해 서브 히터(3c)의 담당 범위인 반응 용기의 하단 영역(Z3)의 온도가 일단 낮아진다. 또한 메인 히터(3b)의 담당 범위인 중단 영역(Z2)의 온도도 차가운 웨이퍼 보트(16)의 영향을 받아 낮아지지만, 중단 영역(Z2)의 온도 저하는 하단 영역(Z3)의 온도 저하보다도 정도는 작다. 그리고, 웨이퍼 보트(16)가 중단 영역(Z2)에 도달하면, 이 중단 영역(Z2)의 온도도 저하된다. 이 때 웨이퍼 보트(16) 및 웨이퍼(W)는 반응 용기 내를 상승함에 따라 서서히 따뜻하게 되어 가므로, 중단 영역(Z2)은 웨이퍼 보트(16)의 반입 전의 온도보다도 낮아지지만, 하단 영역(Z3)만큼 낮아지지 않는다.
이렇게 해서 웨이퍼 보트(16)가 반응 용기 내로 반입되면, 하단 영역(Z3)이 가장 차가워지고, 중단 영역(Z2)도 차가워져 상단 영역(Z1)이 약간 냉각되게 된다. 하단 영역(Z3)에 대응하는 제어부(8)에서는 외부 열전대(5c)의 온도가 낮아지므로 서브 히터(3c)에의 공급 전력을 급격히 크게 하고자 하지만, 온도 목표치인 중단 영역(Z2)의 온도 검출치도 저하되므로, 이 저하에 따라서 서브 히터(3c)에의 전력 공급량의 증가가 조금 억제된다. 그 후는 중단 영역(Z2)의 온도 검출치의 상승에 수반하여 하단의 서브 히터(3c)의 온도가 높아져 간다. 그리고 중단 영역(Z2)에서는 외부 열전대(5b)의 온도가 온도 목표치를 넘어서 오버 슈트한 상태가 되고, 이후는 외부 열전대(5b)의 온도가 온도 목표치를 향해 저하된다. 중단 영역(Z2)의 이러한 온도의 움직임에 추종하여 하단 영역(Z3)의 서브 히터(3c)에의 전력 공급량이 제어되고, 서브 히터(3c)의 온도가 중단 영역(Z2)의 서브 히터(3b)의 온도의 수속에 맞춰 온도 목표치에 수속해 간다.
또한 상단 영역(Z1)의 서브 히터(3a)에 있어서도 중단 영역(Z2)의 메인 히터(3b)의 온도의 움직임에 추종하여 전력 공급량이 제어되고, 서브 히터(3a)의 온도가 중단 영역(Z2)의 메인 히터(3b)의 온도의 수속에 맞춰 온도 목표치에 수속해 간다. 또 서브 히터(3c, 3a)가 수속하는 온도는 도3에서 도시한 바와 같이 중단 영역(Z2)의 온도 검출치에 보정치를 가산하는 연산을 행하고 있기 때문에, 예를 들어 열처리시(프로세스시)에 중단 영역(Z2)보다도 하단 영역(Z3)의 온도 목표치가 예를 들어 10 ℃ 높으면, 하단 영역(Z3)의 서브 히터(3c)가 수속하는 온도는 메인 히터(3b)의 온도보다도 10 ℃ 높은 값이 된다.
그리고 t2 시점에서 웨이퍼 보트(16)의 반입이 완료되고, t3 시점까지 반응 용기 내의 각 영역의 온도가 안정되면, 제어부(6, 8)는 제1 연산부(61, 81)로부터 제2 연산부(62, 82)로 절환하여 히터(3a, 3c)의 전력을 제어를 행한다. 다음에 t3 시점으로부터 승온을 개시하여 소정의 프로세스 온도까지 가열한 후, t4 시점(상세하게는 각 영역이 프로세스 온도로 안정된 후)에 있어서 웨이퍼(W)에 대해 열처리를 행한다. 이 열처리의 일례로서는, 예를 들어 반응 용기 내를 800 ℃ 정도로 유지하고, 소정의 성막 가스를 가스 공급관(23)으로부터 반응 용기 내에 공급하는 동시에 배기관(25)으로부터 진공 배기하여 소정의 진공도로 유지하고, 웨이퍼(W)에 대해 성막 처리를 행하는 프로세스를 예로 들 수 있다. 또 제1 연산부(61, 81)로부터 제2 연산부(62, 82)로의 절환은 승온 도중 혹은 프로세스 온도로 안정되었을 때라도 좋다. t5 시점에 있어서 웨이퍼(W) 표면에 소정의 성막이 형성되면, 예를 들어 반입시의 온도인 600 ℃ 정도까지 강온한 후, 예를 들어 t6 시점에 있어서 반입시와는 반대의 순서로 웨이퍼 보트(16)의 반출이 행해진다.
지금까지 서술한 바와 같이, 상술한 실시 형태에 따르면 복수 분할하여 설치되는 히터[3(3a, 3b, 3c)]의 온도 제어에 있어서, 상하단 영역(Z1, Z3)의 가열 제어를 담당하는 제어부(6, 8)는 웨이퍼(W)의 반입시에 중단 영역(Z2)의 온도 검출치를 온도 목표치로서 이와 자기의 영역(Z1, Z3)의 온도 검출치를 기초로 하여 온도 제어를 행하고 있다. 이로 인해, 각 영역(Z1 내지 Z3)의 온도가 신속하게 온도 목표치로 안정된다. 예를 들어 하단 영역(Z3)의 서브 히터(3c) 근방에 대해서는, 웨이퍼 보트(16)의 반입에 의해 온도가 저하되거나, 온도 목표치인 중단 영역(Z2)의 메인 히터(3b) 근방의 온도도 저하되기 때문에, 온도 목표치와 온도 검출치와의 편차분이 작아져 서브 히터(3c)의 발열량의 증가를 느슨히 억제할 수 있다. 그리고 서브 히터(3c) 근방의 온도는 본래의 온도 목표치를 넘어서 오버 슈트하고, 이번은 서브 히터(3c)의 발열량이 작아지려고 하지만(온도가 낮아지려고 함), 서브 히터(3c)의 발열량은 메인 히터(3b) 근방의 온도에 추종하므로, 종래와 같이 온도 목표치 일정하였던 경우에 비해 온도의 저하를 완만하게 행할 수 있다. 이 결과, 온도의 상하 진동이 억제되어 온도 목표치에 신속하게 소프트 랜딩한다. 또한 상단 영역(Z1)의 서브 히터(3a) 근방의 온도에 대해서도 메인 히터(3b) 근방의 온도에 추종하므로, 온도가 온도 목표치에 신속하게 안정된다.
더욱 차가운 웨이퍼 보트(16) 및 웨이퍼(W)가 반응 용기 내로 반입될 때에, 각 영역(Z1 내지 Z3)의 온도가 웨이퍼 영역(16) 및 웨이퍼(W)로부터 영향을 받는 정도에 따라서 제어부(6, 8)의 제1 연산부(61, 81) 중에, 중단 영역(Z2)에 있어서의 제어부(7)에 대한 추종 비율을 조립하고 있다. 예를 들어 상술한 예에서는, 상단 영역(Z1)이 받는 영향의 정도는 중단 영역(Z2)이 받는 영향의 정도보다도 작고, 또한 하단 영역(Z3)이 받는 영향의 정도는 중단 영역(Z2)이 받는 영향의 정도보다도 크므로, 상단 영역(Z1)에 있어서의 제어부(6)의 추종 비율은 0.8, 하단 영역(Z3)에 있어서의 제어부(8)의 추종 비율은 1.2로 각각 설정하고 있다. 도6은 중단 영역(Z2)의 외부 열전대(5b)의 온도 검출치의 변화와, 추종 비율을 5 ％, 30 ％, 100 ％로 바꾸었을 때 상단 영역(Z1)의 각 온도 검출치를 나타낸 것이고, 이 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이 상단 영역(Z1)의 외부 열전대(5a)의 온도 검출치의 변화 폭은 추종 비율이 커지면 증가되고, 추종 비율이 작아지면 감소된다. 따라서 상술한 실시 형태와 같이 메인 히터(3b)에 대한 서브 히터(3a, 3c)의 온도 제어의 추종하는 비율을 조정해 둠으로써, 웨이퍼 보트(16)의 반입시 반응 용기 내의 온도 분포에 적당한 온도 제어를 상단 영역(Z1), 하단 영역(Z3)의 각각으로 행할 수 있고, 이 점으로부터도 각 영역의 온도가 온도 목표치에 신속하게 안정된다. 또한 웨이퍼 보트(16)의 반입 후 각 영역의 온도 안정 시간이 처리량을 크게 좌우하는 것이므로, 본 실시 형태에서는 처리량을 향상시킬 수 있다.
도7은, 도1에 도시한 종형 열처리 장치에 있어서 웨이퍼 보트(16)가 반응 용기 내로 반입되기 전 서브 히터(3a) 근방, 메인 히터(3b) 근방, 서브 히터(3c) 근방의 온도가 각각 575 ℃, 573 ℃, 560 ℃로 안정되어 있는 상태로부터 웨이퍼 보트(16)의 반입을 행하였을 때 각 히터(3a 내지 3c) 근방의 온도의 시간 경과 따른 변화를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 것이다. 웨이퍼 보트(16)의 반입을 개시하고 나서 각 히터(3a 내지 3c) 근방의 온도가 안정화되기까지의 시간은 약 13분간이며, 웨이퍼(W)의 반입시에 각 영역의 온도가 단시간에 안정되는 것을 알 수 있다.
또, 제1 연산부(61, 81)의 설명에 있어서, 상하단의 각 영역(Z1, Z3)에 있어서의 중단 영역과의 추종 비율을 구하는 연산 방법으로서, 미리 정한 계수(k)를 곱하는 방법을 기재하였지만, 웨이퍼 보트(16)의 상승시에 있어서 상기 웨이퍼 보트(16)의 위치에 따라서 k를 변화시키도록 해도 좋다. 또 본 실시 형태에서는 웨이퍼(W)의 반입시에 각 제어부(6, 7, 8)에 각각 대응하는 내부 열전대(4a 내지 4c)의 온도 검출치를 도입하고, 제어부(6, 8)에 있어서는 중단 영역(Z2)의 내부 열전대(4b)의 온도 검출치를 온도 목표치로서 각각 내부 열전대(4a, 4c)의 온도 검출치와 비교하여, 그 편차분에 따라서 서브 히터(3a, 3c)의 온도 제어를 행하는 동시에, 제어부(7)에 있어서는 전용의 온도 목표치와 내부 열전대(4b)의 온도 검출치과의 편차분에 따라서 메인 히터(3b)를 제어하도록 해도 좋다. 게다가 또한 본 실시 형태는 하단 영역(Z3)의 서브 히터(3c)에 대해서만, 중단 영역(Z2)에 대응하는 온도 검출치를 온도 목표치로 하는 추종 제어를 행하도록 해도 좋다.
이상과 같이 본 발명에 따르면, 복수 영역으로 분할된 열처리 분위기 내에서 기판의 처리를 행함에 있어서, 각 영역마다 온도를 신속하게 안정시킬 수 있어 처리량의 향상을 도모할 수 있다.

Claims (13)

  1. 복수의 영역으로 분할된 반응 용기와,
    복수의 기판을 지지하는 동시에 반응 용기 내로 반입되는 기판 보유 지지구와,
    각 영역마다 마련된 가열 수단과,
    각 영역마다 마련된 온도 검출부와,
    각 영역마다 마련되고, 각 가열 수단을 독립하여 제어하는 제어부를 구비하고,
    하나의 영역에 대응하는 제어부는 상기 기판의 반입시에는, 상기 하나의 영역에 대응하는 온도 검출부의 온도 검출치를 기초로 하여, 다른 영역에 대응하는 온도 검출부의 온도 검출치를 온도 목표치로서 연산을 행하고, 그 연산 결과를 가열 수단의 제어 신호로서 출력하는 제1 연산부를 갖는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  2. 제1항에 있어서, 온도 검출부는 가열 수단 근방의 온도를 검출하는 제1 온도 검출부를 포함하고, 상기 다른 영역에 대응하는 온도 검출부의 온도 검출치는 제1 온도 검출부의 온도 검출치인 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  3. 제1항에 있어서, 온도 검출부는 반응 용기 내의 온도를 검출하는 제2 온도 검출부를 포함하고, 상기 다른 영역에 대응하는 온도 검출부의 온도 검출치는 제2 온도 검출부의 온도 검출치인 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  4. 제1항에 있어서, 하나의 영역에 대응하는 제어부는,
    기판을 열처리할 때에는, 상기 하나의 영역에 설정된 온도 목표치와 상기 하나의 영역에 대응하는 온도 검출부의 온도 검출치를 기초로 하여 연산을 행하고, 그 연산 결과를 가열 수단의 제어 신호로서 출력하는 제2 연산부를 더 갖는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  5. 제1항에 있어서, 온도 검출부는 가열 수단 근방의 온도를 검출하는 제1 온도 검출부와, 반응 용기 내의 온도를 검출하는 제2 온도 검출부를 갖고,
    하나의 영역에 대응하는 제어부의 제1 연산부는, 기판의 반입시에는 다른 영역에 대응하는 제1 온도 검출부 또는 제2 온도 검출부의 온도 검출치를 온도 목표치로서 연산을 행하고, 그 연산 결과를 가열 수단의 제어 신호로서 출력하고,
    하나의 영역에 대응하는 제어부는 기판을 열처리할 때에는, 상기 하나의 영역으로 설정된 온도 목표치와 상기 영역에 대응하는 제1 온도 검출부 및 제2 온도 검출부의 각 온도 검출치를 기초로 하여 연산을 행하고, 그 연산 결과를 가열 수단의 제어 신호로서 출력하는 제2 연산부를 더 갖는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  6. 제1항에 있어서, 하나의 영역에 대응하는 제어부의 제1 연산부는 다른 영역에 대응하는 온도 검출부의 온도 검출치에 보정치를 가산한 값과 상기 하나의 영역에 대응하는 온도 검출부의 온도 검출치와의 편차분을 기초로 하여 연산을 행하고, 그 연산 결과를 가열 수단의 제어 신호로서 출력하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  7. 제6항에 있어서, 하나의 영역에 대응하는 제어부의 제1 연산부는 기판을 열처리할 때에 하나의 영역으로 설정된 온도 목표치와 다른 영역에 대응하는 온도 목표치와의 차분을 보정치로서 이용하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  8. 제6항에 있어서, 하나의 영역에 대응하는 제어부의 제1 연산부는 상기 편차분에 소정의 비율을 곱한 값을 기초로 하여 연산을 행하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  9. 제1항에 있어서, 반응 용기는 종형으로 구성되는 동시에, 기판 보유 지지구는 반응 용기의 하방측으로부터 반입되고,
    반응 용기 내부는 상하 방향으로 적어도 3단으로 분할되고, 상기 하나의 영역은 최하단 영역이며, 상기 다른 영역은 최상단 이외의 영역인 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  10. 복수의 영역으로 분할된 반응 용기 내에 복수의 기판을 지지하는 기판 보유 지지구를 반입하고, 상기 복수의 영역에 각각 대응하는 가열 수단에 의해 각 영역을 가열하는 열처리 방법에 있어서,
    각 영역에 대응하는 온도를 검출하는 공정과,
    온도 목표치와 각 영역마다의 온도 검출치를 기초로 하여 각 가열 수단을 제어하는 공정을 구비하고,
    상기 기판 보유 지지구의 반입시에는, 하나의 영역에 있어서의 온도 목표치로서 다른 영역에 대응하는 온도 검출치를 이용하여 가열 수단을 제어하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 기판 보유 지지구의 반입시에 있어서, 하나의 영역에 있어서의 온도 목표치는 다른 영역에 대응하는 온도 검출치에 보정치를 가산한 값으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 기판 보유 지지구의 반입시에 있어서, 기판을 열처리할 때 하나의 영역으로 설정된 온도 목표치와 다른 영역에 대응하는 온도 목표치와의 차분을 보정치로서 이용하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
  13. 제10항에 있어서, 상기 기판 보유 지지구의 반입시에 있어서, 상기 하나의 영역에 대응하는 가열 수단을 제어할 때, 상기 영역의 온도 검출치와, 다른 영역에 대응하는 온도 검출치로부터 구해진 온도 목표치 또는 온도 목표치에 보정치를 가산한 값과의 편차분에 소정의 비율을 곱한 값을 기초로 하여 연산을 행하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
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