KR20120113665A - 열처리 장치 및 열처리 방법 - Google Patents

열처리 장치 및 열처리 방법 Download PDF

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Abstract

　웨이퍼의 로드시에 있어서, 웨이퍼 온도를 확실하게 추정하여 웨이퍼에 대하여 신속한 열처리를 행한다.
　열처리 장치(1)는, 보트(12)에 보유지지(holding)된 웨이퍼(w)를 처리하는 처리 용기(5)와, 처리 용기(5)를 가열하는 히터(3)와, 히터(3)로의 출력을 제어하는 제어부(35)를 구비하고 있다. 히터(3)와 처리 용기(5)와의 사이에 제1 온도 센서가 설치되고, 처리 용기(5) 내에 제2 온도 센서가 설치되고, 보트(12)와 함께 처리 용기(5) 내에 출납되는 제3 온도 센서가 설치되어 있다. 이들 온도 센서는 온도 예측부(34)에 접속되고, 온도 예측부(34)는, 어느 2개의 온도 센서, 예를 들면 제2 온도 센서 및 제3 온도 센서를 선택하여, 선택된 온도 센서로부터의 검출 온도를 각각 T1, T2로 했을 때, T＝T1×(1－α)＋T2×α, α＞1에 의해 웨이퍼 온도 T를 구한다.

Description

열처리 장치 및 열처리 방법{HEAT TREATMENT APPARATUS AND HEAT TREATMENT METHOD}
본 발명은, 피(被)처리체를 열처리하는 열처리 장치 및 열처리 방법에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 제조에 있어서는, 피처리체, 예를 들면 반도체 웨이퍼에, 산화, 확산, CVD, 어닐 등의 열처리를 행하기 위해 각종의 열처리 장치가 이용되고 있다. 상기 열처리 장치로서는, 다수의 반도체 웨이퍼(이하, 웨이퍼)를 한 번에 열처리하는 것이 가능한 배치 타입(batch-type)의 장치가 이용되고 있으며, 그 중에서도 종형(vertical) 열처리 장치가 잘 알려져 있다. 이 종형 열처리 장치는, 웨이퍼를 다수매 올려놓은 보유지지(保持; holding)부를 하부가 개구된 처리 용기 내에 하방으로부터 반입(로드)하여, 처리 용기의 주위에 설치된 가열부(히터)에 의해 처리 용기 내부의 웨이퍼를 가열 처리하는 열처리 로(heat treatment furnace)를 구비하고 있다. 이러한 열처리 장치는, 히터의 온도를 검출하는 온도 센서와, 처리 용기 내의 온도를 검출하는 온도 센서가 구비되어 있고, 각각의 온도 센서로부터의 신호에 기초하여 히터의 출력을, 웨이퍼가 또는 처리 용기 내가 설정 온도가 되도록 제어하고 있다. 그 하나의 방법으로서 특허문헌 2와 같이 추종시키는 온도를 온도 센서로부터의 검출치와 설정치를 혼합 비율 조정부에서 각각의 비율로 보간(interpolating)하여 제어하는 방법이 있다. 또한, 웨이퍼의 온도를 측정하기 위해, 가능한 한 웨이퍼의 가까이에, 웨이퍼와 동일하게 가동하는 부분에 온도 센서를 설치하는 것이 개시되어 있다(특허문헌 1).
일본공개특허공보 평7-273057호 일본공개특허공보 2002-353153호
최근에 있어서, 반도체의 미세화의 요구와 함께 처리 온도의 저온도화(100?400℃)의 요구가 많아져, 반도체 웨이퍼의 온도 제어가 더욱 어려워지고 있다.
반도체 웨이퍼에서는, 처리 용기에 보유지지구를 로드하여 설정 온도로 안정될 때까지의 온도가 반도체 웨이퍼의 흡수 파장의 관계로부터, 특히 100?400℃의 온도대에 있어서 전술의 온도 센서와 반도체 웨이퍼의 온도차가 크게 벌어져, 승온 및 설정 온도에 도달할 때까지 많은 시간을 필요로 하는 문제가 있었다.
본 발명은 이러한 점을 고려하여 이루어진 것으로, 반도체 웨이퍼의 로드시에 있어서, 피처리체를 신속하고, 또한 정밀도 좋게 설정 온도에 추종할 수 있는 열처리 장치 및 열처리 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 실시 형태는, 피처리체를 처리하는 처리 용기와, 처리 용기의 외측에 설치되어, 이 처리 용기를 외측으로부터 가열하는 가열부와, 피처리체를 올려놓고 보유지지함과 함께, 처리 용기 내에 출납되는 보유지지부와, 보유지지부를 처리 용기로 출납하기 위한 보유지지부 반송부와, 가열부와 처리 용기와의 사이에 설치되어, 가열부의 온도를 검출하는 제1 온도 센서와, 처리 용기 내에 고정되어 처리 용기 내의 온도를 검출하는 제2 온도 센서와, 보유지지부와 함께 처리 용기 내에 출납되는 제3 온도 센서와, 가열부로의 출력을 제어하는 제어부와, 제1 온도 센서, 제2 온도 센서 및 제3 온도 센서 중 어느 2개의 온도 센서를 선택하고, 이들 2개의 온도 센서로부터의 검출 온도에 기초하여, 피처리체 온도 T를 예측하는 온도 예측부를 구비한 것을 특징으로 하는 열처리 장치이다.
상기 열처리 장치에 있어서, 온도 예측부는, 피처리체 온도 T를 이하의 식에 기초하여 구한다.
T＝T1×(1－α)＋T2×α
α＞1
T1: 제1 온도 센서, 제2 온도 센서 및 제3 온도 센서 중 어느 하나의 온도 센서의 검출 온도
T2: 제1 온도 센서, 제2 온도 센서 및 제3 온도 센서 중 T1 이외의 어느 하나의 온도 센서의 검출 온도
α: 혼합 비율
본 실시 형태는, 상기 기재의 열처리 장치를 이용한 열처리 방법에 있어서, 피처리체를 보유지지부에 보유지지하는 공정과, 보유지지부에 의해 피처리체를 처리 용기 내로 넣는 공정과, 온도 예측부에 있어서, 제1 온도 센서, 제2 온도 센서 및 제3 온도 센서 중 어느 2개를 선택하고, 이들 2개의 온도 센서로부터의 검출 신호에 기초하여 피처리체의 온도를 예측하는 공정과, 온도 예측부에 의해 예측된 피처리체의 온도에 기초하여 가열부의 출력을 제어하는 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 열처리 방법이다.
상기 열처리 방법에 있어서, 온도 예측부는, 피처리체 온도 T를 이하의 식에 기초하여 구한다.
T＝T1×(1－α)＋T2×α
α＞1
T1: 제1 온도 센서, 제2 온도 센서 및 제3 온도 센서 중 어느 하나의 온도 센서의 검출 온도
T2: 제1 온도 센서, 제2 온도 센서 및 제3 온도 센서 중 T1 이외의 어느 하나의 온도 센서의 검출 온도
α: 혼합 비율
본 실시 형태는, 상기 선택하는 2개의 온도 센서를, 미리 처리 용기 내로 보유지지부를 넣는 공정을 행한 제1 온도 센서, 제2 온도 센서 및 제3 온도 센서로부터의 검출 온도 데이터와 그때의 피처리체의 검출 온도와 비교하여, 피처리체의 검출 온도에 근사하는 조합으로부터 선택하고, 또한 α를 결정하는 공정을, 추가로 구비한 것을 특징으로 하는 열처리 방법이다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 피처리체의 흡수 파장이 적고 열응답성이 낮은 온도대에 있어서 온도 센서가 웨이퍼보다도 열응답성이 높기 때문에 피처리체의 온도를 추종할 수 없을 때라도, 피처리체 온도를 예측할 수 있어 가열부의 출력을 제어하여 신속하고, 또한 정밀도 좋게 승온이나 온도 안정의 온도 제어시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 열처리 장치 및 열처리 방법의 실시 형태를 개략적으로 나타내는 종단면도이다.
도 2는 도 1과 동일한 도면으로, 열처리체의 로드시에 있어서의 열처리 장치를 나타내는 도면이다.
도 3은 온도 예측부에 있어서의 작용을 나타내는 도면이다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
이하에, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태에 대해서 설명한다.
도 1에 있어서, 종형의 열처리 장치(1)는, 피처리체(예를 들면, 반도체 웨이퍼(w), 이하 '웨이퍼(w)'라고 씀)를 한 번에 다수매 수용하여 산화, 확산, 감압 CVD 등의 열처리를 행할 수 있는 종형의 열처리 로(2)를 구비하고 있다. 이 열처리 로(2)는, 내주면에 발열 저항체(이하 '히터'라고 씀)(3)가 설치되어, 히터(3)와 공간(4)을 형성함과 함께, 웨이퍼(w)를 수납하여 열처리하는 처리 용기(5)를 구비하고 있다. 여기에서, 히터(3)는 웨이퍼(w)를 가열하는 가열부로서 기능한다.
또한, 상기 공간(4)은, 종방향을 따라서 복수의 단위 영역, 예를 들면 10의 단위 영역 (A1, A2, A3, A4, A5, A6, A7, A8, A9, A10(이하 'A1?A10'이라고 씀))으로 구획되어 있다. 그리고 히터(3)는 이 10의 단위 영역 (A1?A10)에 대응하여 각각에 출력을 제어할 수 있도록 구성되어 있고, 단위 영역 (A1?A10)에 대응한 온도를 측정하는 히터 온도 센서(제1 온도 센서; Ao1?Ao10)가 설치되어 있다.
열처리 로(2)는 베이스 플레이트(6)에 지지되고, 이 베이스 플레이트(6)에는 처리 용기(5)를 하방으로부터 상방으로 삽입하기 위한 개구부(7)가 형성되어 있다.
처리 용기(5)는 하부에 매니폴드(8)를 개재하여 베이스 플레이트(6)에 지지되고, 또한 매니폴드(8)로부터 처리 용기(5)로 인젝터(51)를 통과시켜 처리 가스를 공급한다. 가스 인젝터는 도시하지 않는 가스 공급원과 접속되어 있다. 또한, 처리 용기(5)에 공급된 처리 가스나 퍼지 가스는 배기 포트(52)를 통과시켜 감압 제어가 가능한 진공 펌프를 구비한, 도시하지 않는 배기계에 접속되어 있다.
또한, 매니폴드 하부에는 로구(furnace opening; 53)를 폐색하는 덮개체(9)가 있고, 덮개체(9)가 승강 기구(10)에 의해 승강 이동 가능하게 설치되어 있다. 이 덮개체(9)의 상부에는 보온부(11)가 올려놓여지고, 당해 보온부(11)의 상부에는, 웨이퍼(w)를 다수매 상하 방향으로 소정의 간격으로 탑재하는 보유지지부(이하 '보트'라고 씀)(12)가 있다. 보트(12)는, 승강 기구(10)에 의해, 하강 이동에 의해 처리 용기(5)로부터 도시하지 않는 로딩 에어리어에 반출(언로드)되고, 웨이퍼(w)의 이전 후, 승강 기구(10)에 의해, 상승 이동에 의해 처리 용기(5) 내에 반입(로드)된다.
또한 덮개체(9)에는 보트(12)를 그의 축심 주변으로 회전하는 회전 기구(13)가 설치되어 있어도 좋다.
열처리 로(2)는 단열재(21)와, 처리 용기(5)를 급속하게 냉각하기 위한 냉각 가스의 유로(22)와, 유로(22)로부터 공간(4)으로 냉각 가스를 분출하는 분출공(23)과, 냉각 가스를 공간(4)으로부터 배기하기 위한 배기구(24)를 설치해도 좋다. 이 경우, 배기구(24)의 끝에는 도시하지 않는 열교환기 및 블로어(blower)를 설치하고, 추가로 유로(22)로 냉각 가스를 공급하는 블로어를 설치하고 있다.
처리 용기(5) 내의 각 단위 영역 (A1?A10)의 온도를 검출하기 위한 처리 용기 내 온도 센서(제2 온도 센서; Ai1?Ai10)를 설치하고 있다.
또한 웨이퍼(w)와 함께 로드?언로드되는 가동 온도 센서(제3 온도 센서; Ap1?Ap10)를 설치하고 있다.
그런데 종래, 전술의 히터 온도 센서 (Ao1?Ao10)와 처리 용기 내 온도 센서 (Ai1?Ai10)로부터의 검출 신호 라인(31, 32)을 통과시켜 제어부(35)에 신호를 도입하고 있다. 그리고 제어부(35)에 있어서 PID 제어나 모델 제어의 계산한 결과를 히터 출력부(36)에 송신하여, 이 히터 출력부(36)에 의해 각 히터(3)로 히터 출력 라인(37)으로부터 히터 단자(38)를 개재하여 출력을 제어하고 있었다.
그러나, 이 방법이라면 저(低)온도 범위 100?400℃의 웨이퍼(w)의 온도 변화에 충분히 추종할 수 없기 때문에, 본 발명에 있어서는 가동 온도 센서 (Ap1?Ap10)의 검출 온도 데이터를 검출 신호 라인(33)을 통과시켜 취득하고, 또한 히터 온도 센서 (Ao1?Ao10)와 처리 용기 내 온도 센서 (Ai1?Ai10)로부터의 각각의 검출 온도 데이터를 검출 신호 라인(31, 32)을 통과시켜 취득하고, 온도 예측부(34)에서 후술의 계산식으로 계산을 행한다. 그리고 로드시의 로딩 에어리어로부터 처리 용기(5) 내에서의 웨이퍼(w)의 온도 변화를 온도 예측부(34)에 있어서 예측하고, 예측한 결과를 제어부(35)에 송신하여, 각각의 히터(3)의 출력을 제어한다.
다음으로 웨이퍼(w)의 로드시에 있어서의 온도 예측부(34)의 작용에 대해서 도 3에 의해 설명한다.
여기에서 도 3은 온도 예측부(34)에 있어서의 작용을 나타내는 도면으로서, 횡축에 웨이퍼(w)의 로드시에 있어서의 시간(분)이 나타나고, 종축에 온도가 나타나 있다.
각각의 온도 센서의 움직임은, 200℃로 안정되어 있는 처리 용기 내에 실온의 보트를 로드하여 재차 200℃로 안정될 때의 온도 변화를 나타내고 있다. 이때의 각 온도 센서의 거동은 도 3대로 히터 온도 센서, 처리 용기 내 온도 센서 및 가동 온도 센서 모두 웨이퍼 온도로부터 꽤 떨어진 거동을 나타내고 있는 것을 알 수 있다. 또한 모든 온도 센서는 웨이퍼(w)의 온도보다도 높은 온도를 나타내고 있어, 종래의 0?100％의 혼합 비율로는 웨이퍼(w)의 온도를 예측하는 것이 어려운 것을 알 수 있다.
여기에서 하기의 계산식으로 합성 신호를 계산한다.
T＝T1×(1－α)＋T2×α
α＞1
T1: 제1 온도 센서, 제2 온도 센서 및 제3 온도 센서 중 어느 하나의 온도 센서의 검출 온도
T2: 제1 온도 센서, 제2 온도 센서 및 제3 온도 센서 중 T1 이외의 어느 하나의 온도 센서의 검출 온도
α: 혼합 비율
계산한 합성 신호의 예로서, T1을 가동 온도 센서로 하고, T2를 처리 용기 내 온도 센서로 하고, α를 1.8로 했을 때에 매우 좋게 웨이퍼 온도의 거동과 동기(synchronizing) 하고 있는 것을 알 수 있다. 이 온도 센서의 선택은 장치의 온도 센서의 위치의 영향을 받고, 또한 온도 센서의 구성은 각각의 장치 구성에 의존하기 때문에 미리 도 3과 같은 온도 데이터를 취득하여 최적값을 찾아낼 필요가 있다.
도 3이 나타내는 바와 같이, 웨이퍼를 로드하고 나서 200℃로 온도가 안정되기까지 90분을 필요로 하고 있어, 매우 시간이 걸리고 있었다. 이 산출한 예측 웨이퍼 온도에 의해 히터의 제어를 행함으로써 온도 안정까지 30％?50％ 시간 단축하는 것을 실현할 수 있었다. 이상의 점에서, 본 발명은 장치 내의 온도 센서와 피처리체와의 온도차가 클 때에 특히 효과적으로 이용할 수 있고, 실리콘 웨이퍼의 흡수 파장이 적은 저온도 범위(100?400℃)에 있어서의 승온 및 온도 안정에서도 정밀도 좋고 신속하게 제어할 수 있다.
본 실시 형태에서는 단위 영역 (A1?A10)을 이용하여 설명했지만, 10으로 분할할 뿐만 아니라 분할수는 몇 개의 경우에서도 이용 가능하고, 또한 실시 형태에서는 균등하게 분할하고 있지만, 이에 한정되지 않고, 온도 변화가 큰 로구부를 세세한 영역으로 분할해도 좋다. 또한, 강제적으로 배기하는 냉각 가스의 배기구나, 보온부의 에어리어에 별도 부착된 온도 센서를 사용해도 좋다.

Claims (5)

  1. 피처리체를 처리하는 처리 용기와,
    처리 용기의 외측에 설치되어 이 처리 용기를 외측으로부터 가열하는 가열부와,
    피처리체를 올려놓고 보유지지(holding)함과 함께, 처리 용기 내에 출납되는 보유지지부와,
    보유지지부를 처리 용기로 출납하기 위한 보유지지부 반송부와,
    가열부와 처리 용기와의 사이에 설치되어, 가열부의 온도를 검출하는 제1 온도 센서와,
    처리 용기 내에 고정되어 처리 용기 내의 온도를 검출하는 제2 온도 센서와,
    보유지지부와 함께 처리 용기 내에 출납되는 제3 온도 센서와,
    가열부로의 출력을 제어하는 제어부와,
    제1 온도 센서, 제2 온도 센서 및 제3 온도 센서 중 어느 2개의 온도 센서를 선택하고, 이들 2개의 온도 센서로부터의 검출 온도에 기초하여, 피처리체 온도 T를 예측하는 온도 예측부를 구비한 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    온도 예측부는, 피처리체 온도 T를 이하의 식에 기초하여 구하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치:
    T＝T1×(1－α)＋T2×α
    α＞1
    (T1: 제1 온도 센서, 제2 온도 센서 및 제3 온도 센서 중 어느 하나의 온도 센서의 검출 온도
    T2: 제1 온도 센서, 제2 온도 센서 및 제3 온도 센서 중 T1 이외의 어느 하나의 온도 센서의 검출 온도
    α: 혼합 비율).
  3. 제1항에 기재된 열처리 장치를 이용한 열처리 방법에 있어서,
    피처리체를 보유지지부로 보유지지하는 공정과,
    보유지지부에 의해 피처리체를 처리 용기 내로 넣는 공정과,
    온도 예측부에 있어서, 제1 온도 센서, 제2 온도 센서 및 제3 온도 센서 중 어느 2개를 선택하고, 이들 2개의 온도 센서로부터의 검출 신호에 기초하여 피처리체의 온도를 예측하는 공정과,
    온도 예측부에 의해 예측된 피처리체의 온도에 기초하여 가열부의 출력을 제어하는 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    온도 예측부는, 피처리체 온도 T를 이하의 식에 기초하여 구하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법:
    T＝T1×(1－α)＋T2×α
    α＞1
    (T1: 제1 온도 센서, 제2 온도 센서 및 제3 온도 센서 중 어느 하나의 온도 센서의 검출 온도
    T2: 제1 온도 센서, 제2 온도 센서 및 제3 온도 센서 중 T1 이외의 어느 하나의 온도 센서의 검출 온도
    α: 혼합 비율).
  5. 제3항에 있어서,
    상기 선택하는 2개의 온도 센서를, 미리 처리 용기 내로 보유지지부를 넣는 공정을 행한 제1 온도 센서, 제2 온도 센서 및 제3 온도 센서로부터의 검출 온도 데이터와 그때의 피처리체의 검출 온도와 비교하여, 피처리체의 검출 온도에 근사하는 조합으로부터 선택하고, 또한 α를 결정하는 공정을 추가로 구비한 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
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