TWI777677B - 基板處理裝置、溫度控制程式、半導體裝置之製造方法及溫度控制方法 - Google Patents

基板處理裝置、溫度控制程式、半導體裝置之製造方法及溫度控制方法 Download PDF

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Abstract

本發明係構成為具有冷卻控制部，該冷卻控制部調節冷卻閥之開度，以使預測溫度列與目標溫度列之誤差成為最小，該預測溫度列係藉由分別獲取加熱部之溫度及處理室之溫度中之至少任一溫度、冷卻閥之開度、排氣風扇之資訊並按照預測模型而算出，該目標溫度列係根據自當前之目標溫度變化至最終目標溫度時的變化比例而算出。

Description

基板處理裝置、溫度控制程式、半導體裝置之製造方法及溫度控制方法
本發明係關於一種基板處理裝置、溫度控制程式、半導體裝置之製造方法及溫度控制方法。
作為基板處理裝置之一例，已知有半導體製造裝置，進而作為半導體製造裝置之一例，已知有立式裝置。立式裝置中，將作為多段地保持複數個基板(以下，亦稱為晶圓)之基板保持部之晶舟，以保持有基板之狀態搬入至反應管內之處理室，於複數個區域進行溫度控制且以既定之溫度對基板進行處理。至此，習知之加熱器之溫度控制中，當降溫時關閉加熱器，而近年來正積極提昇基板處理後之降溫特性。
例如，專利文獻1揭示一種半導體製造裝置，其使利用加熱器單元進行之加熱、及利用冷卻單元進行之冷卻並行執行，以追隨於既定之升溫速率及既定之降溫速率。而且，專利文獻2揭示一種半導體製造裝置，其預先自動獲取溫度特性後，利用該特性進行溫度控制，藉此防止因調整人員所致之控制性能差異。
此處，上文所述之冷卻單元構成內之冷卻氣體流量之控制中，在急速冷卻中，各個區域之降溫速度之變化不同，區域間之溫度歷程有時存在差異。而且，於利用PID運算之反饋控制中，需要預先確定適當的參數，但該PID參數之最佳化不得不採用一面試誤一面搜索最佳值之程序，且其成果多仰賴於調整人員之直覺及經驗。 [先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：國際公開第2018/100826號公報 專利文獻2：日本專利特開2019-145730號公報
(發明所欲解決之問題)
本發明之目的在於提供一種能利用最佳參數來改善區域間之溫度偏差的技術。 (解決問題之技術手段)
根據本發明之一態樣，提供如下技術，該技術具有： 反應管，其係於內部構成對基板進行處理之處理室； 加熱器單元，其設於上述反應管之外側，且具有對上述基板進行加熱之加熱部； 冷卻單元，其具有對上述加熱器單元與上述反應管之間的空間供給冷卻媒體之冷卻閥； 排氣風扇，其對上述冷卻單元供給上述冷卻媒體；及 冷卻控制部，其獲取預測模型，上述預測模型係分別包含上述排氣風扇之資訊、作為將來目標之最終目標溫度、上述冷卻閥之開度並推測對上述加熱部之溫度及上述處理室之溫度中之至少任一溫度進行預測之預測溫度，上述冷卻控制部並調整上述冷卻閥之開度，以使預測溫度列與目標溫度列之誤差成為最小，該預測溫度列係藉由分別獲取上述加熱部之溫度及上述處理室之溫度中之至少任一溫度、上述冷卻閥之開度、上述排氣風扇之資訊並根據上述預測模型而算出，該目標溫度列係根據自當前之目標溫度變化至上述最終目標溫度時的變化比例而算出。 (對照先前技術之功效)
根據本發明，能利用最佳參數來改善區域間之溫度偏差。
＜本發明之一實施形態＞ 以下，按照圖示來說明本發明之一實施形態。再者，以下之說明中使用之圖示皆為示意圖，圖中所示之各要素之尺寸之關係、各要素之比率等未必與實際相同。而且，於複數個圖示彼此間，各要素之尺寸之關係、各要素之比率等亦未必相同。
本實施形態中，如圖1～圖3所示，本發明之基板處理裝置10構成為實施半導體裝置之製造方法中之處理步驟的處理裝置10。
圖1所示之基板處理裝置10具備有作為被支撐之立式反應管的製程管11，製程管11係由彼此呈同心圓狀配置之外管12及內管13所構成。外管12採用的是石英(SiO 2)，且一體成形為上端封閉而下端開口之圓筒形狀。內管13形成為上下兩端均開口之圓筒形狀。內管13之筒中空部之內部形成供後述之晶舟搬入的處理室14，內管13之下端開口構成用以供晶舟進出之爐口15。如下文所述，晶舟31構成為，在長長地排列之狀態下複數片作為基板之晶圓。因此，內管13之內徑設定為大於要處理之晶圓1之最大外徑(例如，直徑300 mm)。
外管12與內管13之間之下端部係藉由被構成為大致圓筒形狀之歧管16而被氣密性密封。歧管16可自由裝卸地分別安裝於外管12及內管13，以為了進行外管12及內管13之更換等。歧管16被CVD裝置之框體2支撐，藉此，製程管11呈垂直安置之狀態。以下之圖中，有時僅示出外管12作為製程管11。
藉由外管12與內管13之間隙，使排氣路17構成為橫截面形狀呈固定寬度之圓環形狀。如圖1所示，成為如下狀態：於歧管16之側壁之上部連接有排氣管18之一端，排氣管18通向排氣路17之最下端部。於排氣管18之另一端連接有藉由壓力控制部21控制之排氣裝置19，排氣管18之中途連接有壓力感測器20。壓力控制部21構成為，基於來自壓力感測器20之測定結果來對排氣裝置19進行反饋控制。
於歧管16之下方配設成，氣體導入管22連通於內管13之爐口15，於氣體導入管22連接有原料氣體供給裝置及惰性氣體供給裝置(以下，稱為氣體供給裝置。)23。氣體供給裝置23構成為，藉由氣體流量控制部24控制。自氣體導入管22導入至爐口15之氣體係於內管13之處理室14內流通並通過排氣路17而由排氣管18排出。
於歧管16，封閉下端開口之密封蓋25係自垂直方向下側接觸。密封蓋25構成為，與歧管16之外徑大致相等之圓盤形狀，並藉由裝設於框體2之待機室3的晶舟升降機26而於垂直方向升降。晶舟升降機26構成為，由馬達驅動之進給螺桿軸裝置及波紋管等構成，且晶舟升降機26之馬達27係由驅動控制部28控制。密封蓋25之中心線上配置有旋轉軸30而可自由旋轉地被支撐，旋轉軸30構成為，藉由受驅動控制部28控制之作為馬達的旋轉機構29而旋轉驅動。晶舟31係垂直地被支撐於旋轉軸30之上端。
晶舟31具備有上下一對之端板32、33、及垂直地跨設於其間之三根保持構件34，在三根保持構件34上，於長度方向上等間隔地刻有多個保持溝35。三根保持構件34中，同一段上所刻之保持溝35彼此對向地開口。晶舟31係於三根保持構件34之同一段之保持溝35間插入晶圓1，藉此，將複數片晶圓1以水平且彼此之中心對齊之狀態排列並加以保持。於晶舟31與旋轉軸30之間配置有隔熱蓋部36。旋轉軸30構成為，將晶舟31支撐成自密封蓋25之上表面抬起之狀態，藉此，使晶舟31之下端與爐口15之位置相距適當的距離。隔熱蓋部36將爐口15附近加以隔熱。
於製程管11之外側，呈同心圓狀地配置有縱置之作為加熱裝置之加熱器單元40，該加熱器單元40係以被框體2支撐之狀態設置。加熱器單元40具備有外殼41。外殼41採用不鏽鋼(SUS)，且形成為上端封閉而下端開口之筒形狀，較佳為圓筒形狀。外殼41之內徑及全長係設定為大於外管12之外徑及全長。而且，本實施形態中，複數個控制區域係自加熱器單元40之上端側至下端側被分割為七個控制區域U1、U2、CU、C、CL、L1、L2。
外殼41內設置有隔熱構造體42。本實施形態之隔熱構造體42形成為筒形狀，較佳為圓筒形狀，該圓筒體之側壁部43形成為複數層構造。而且，具備有將側壁部43於上下方向隔離成複數個區域(領域)之分隔部105、及設於側壁部43之內側而對處理室14之晶圓1進行加熱之作為加熱部之發熱體56。
如圖3所示，加熱器單元40構成為，由溫度控制部64控制。而且，加熱器單元40中，對應於控制區域U1、U2、CU、C、CL、L1、L2而對各控制區域分別設置一對熱電偶65及熱電偶66。
熱電偶65為加熱器熱電偶，其檢測各控制區域之外管12與加熱器單元40之間之溫度。熱電偶65係構成為，計測各控制區域之發熱體56附近之周圍溫度。以下，將熱電偶65之檢測溫度作為加熱器溫度。而且，亦可將發熱體56之溫度用作加熱器溫度。
熱電偶66為串級熱電偶，其檢測各控制區域之外管12與內管13之間之溫度。熱電偶66構成為，計測各控制區域之處理室14之溫度即爐內溫度。以下，將熱電偶66之檢測溫度作為爐內溫度。
溫度控制部64構成為，基於由各控制區域內之熱電偶65及熱電偶66所檢測出之溫度資訊而調整各控制區域之對發熱體56之通電情況，並在所需之時間點將處理室14之溫度控制為控制部200所設定之處理溫度。
而且，於外殼41內，各區域設有作為逆擴散防止部之擋止節流器104。其構成為，藉由該擋止節流器104之開閉而使作為冷卻媒體之冷卻氣體90經由氣體流路107而被供給至內部空間75。當自未圖示之氣體源未供給冷卻氣體90時，構成為，該擋止節流器104關閉，使內部空間75內之環境氣體不會逆流。亦可構成為，根據區域而變更該擋止節流器104之打開壓力。而且，於側壁部43之外周面與外殼41之內周面之間，設有做為毛毯(blanket)之隔熱布，以吸收金屬之熱膨脹。
如圖1所示，於隔熱構造體42之側壁部43之上端側，覆蓋有作為頂部之頂壁部80，以封閉內部空間75。於頂壁部80，呈環狀地形成有作為排出內部空間75內之環境氣體之排氣路徑之一部分的排氣孔81，排氣孔81之上游側端即下端係連通於內側空間75。排氣孔81之下游側端連接於排氣管82。排氣管82連接於排氣風扇84。排氣風扇84係構成為，將作為冷卻媒體之冷卻氣體90供給至後述之作為冷卻裝置之冷卻單元，並經由排氣管82而排出。
壓力控制部21、氣體流量控制部24、驅動控制部28、溫度控制部64、冷卻控制部300構成為，分別可電性連接於控制部200而進行通信。壓力控制部21、氣體流量控制部24、驅動控制部28、溫度控制部64、後述之冷卻控制部300構成為，可各自按照控制部200之指示而分別受到控制。
[冷卻單元301之構成] 繼而，利用圖2對本實施形態中之冷卻單元301進行詳細說明。
本實施形態中之冷卻單元301係構成為，被分割為與複數個控制區域對應之複數個冷卻區域(U1、U2、CU、C、CL、L1、L2)，每個冷卻區域內均具備有供給冷卻氣體90之吸氣管101、設在吸氣管101上而調整氣體流量之作為導流閥(conductance valve)之冷卻閥102、以及向製程管11噴出冷卻氣體之複數個開口孔(急冷孔)110。冷卻閥102係對加熱器單元40與製程管11之間之內部空間75供給作為冷卻媒體之冷卻氣體90。
構成為，藉由使冷卻閥102開閉，而根據各冷卻區域之區域長度之比率而設定導入至吸氣管101之冷卻氣體90之流量，而調整自開口孔110向製程管11噴出之氣體的流量及流速。即，冷卻閥102根據吸氣管101內之構成物而由冷卻控制部300調整閥之開度，藉此，可變更導入至各冷卻區域之冷卻氣體90的流量及流速。亦即，冷卻閥102構成為，可在各冷卻區域控制為不同之開度。冷卻閥102構成為，可由冷卻控制部300控制。
而且，於吸氣管101之冷卻閥102之下游側設有擋止節流器104，以防止來自處理室14之環境氣體逆向擴散。冷卻氣體90係自設於內部空間75之上側之排氣口81排出。因此，於各區域設置擋止節流器104以高效率地積存冷卻氣體90，當未使用急冷時，擋止節流器104可防止吸氣管101與隔熱構造體42之間之對流。
而且，設有開口孔110，以使吹出至各冷卻區域(例如，圖2中之U2、CU、C、CL、L1)之冷卻氣體90的流量及流速均等，上述各冷卻區域係指與保持有載置於晶舟31上之晶圓1之領域的最上段大致相同的高度至保持有晶圓1之領域之最下段為止的區域。具體而言，開口孔110構成為，於圓周方向及上下方向上以相同間隔設在冷卻區域內，經由氣體流路107而向內部空間75吹出。
上文所述之加熱器單元40所使用之隔熱構造體42亦被用作冷卻單元301。隔熱構造體42如上文所述，其具有形成為圓筒形狀之側壁部43，該側壁部43形成為複數層構造。此處，側壁部43構成為，於上下方向上被區分為複數個冷卻區域(U1、U2、CU、C、CL、L1、L2)。例如，分隔部可構成為於上下方向上將側壁部43隔離成複數個冷卻區域(U1、U2、CU、C、CL、L1、L2)，亦可構成為於分隔部105與側壁部43之間設置空間。氣體流路107構成為，將吸氣管101與內部空間75連通，每個冷卻區域均係經由開口孔110而向內部空間75吹出冷卻氣體90。
而且，開口孔110係以吹出之冷卻氣體90避開發熱體56之方式配置。
而且，本實施形態中，構成為，分隔部105係以控制區域之數量與冷卻區域之數量一致之方式配置。控制區域之數量與冷卻區域之數量並不限於上述形態，可任意設定。
排氣管82構成為，連接於排氣風扇84，且利用排氣風扇84之排出功能而排出冷卻氣體90。
而且，冷卻控制部300構成為，與冷卻閥102電性連接，而指示冷卻閥102之開度。而且，冷卻控制部300構成為，與排氣風扇84電性連接，而指示排氣風扇84之動作之開啟關閉。
本實施形態中之冷卻單元301係經由冷卻控制部300而對每個冷卻區域調整冷卻閥102之開度，並同時將排氣風扇84之啟動設為接通，藉此，能對每個冷卻區域調整供給之冷卻氣體的流量，其結果，可對每個冷卻區域調整冷卻能力。
[控制部之構成] 繼而，例示控制部200之構成。
如圖4所示，控制部200具有包含CPU(Central Processing Unit，中央處理單元)201及記憶體202等之電腦本體203、作為通信部之通信IF(Interface，界面)204、作為記憶部之記憶裝置205、以及作為操作部之顯示・輸入裝置206。即，控制部200包含作為普通電腦之構成部分。
CPU 201構成操作部之中樞，執行記憶裝置205中記憶之控制程式，根據來自顯示・輸入裝置206之指示，執行記憶裝置205中記錄之製程配方(例如，製程用配方)。
而且，作為記憶CPU 201之動作程式等之記錄媒體207，可使用ROM(Read Only Memory，唯讀記憶體)、EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory，電子可抹除可程式化唯讀記憶體)、快閃記憶體、硬碟等。此處，RAM(Random Access Memory，隨機存取記憶體)係作為CPU之工作區等發揮功能。
通信部204係與壓力控制部21、氣體流量控制部24、驅動控制部28、溫度控制部64、冷卻控制部300(亦有時統稱為副控制器)電性連接，而可交換各零件之動作相關之資料。
記憶部205具有記憶上述製程配方等檔案之程式儲存領域，該程式儲存領域內儲存如下程式：使基板處理裝置執行控制加熱器供給電力之程序，以使根據預先保持之爐內溫度之預測模型所算出之預測溫度列接近將來之目標溫度列的程式；以及，使基板處理裝置執行調整冷卻閥102之開度之程序的程式，以使根據本實施形態中之後述之急冷預測模型而算出之預測溫度列與根據自當前之目標溫度變化至最終目標溫度時的變化比例而算出之目標溫度列的誤差成為最小，該急冷預測模型係分別包含排氣風扇84之資訊、作為將來目標之最終目標溫度、及冷卻閥102之開度並推測對加熱器之溫度及爐內溫度中之至少任一溫度進行預測之預測溫度。而且，未圖示之參數記憶領域中至少記憶有上述各預測模型、或用於實現上述各預測模型之各種參數。而且，至少儲存有既定之溫度帶中之各預測模型。
本發明之一實施形態中，以控制部200為例進行說明，但並不限於此，亦可使用通常的電腦系統來實現。例如，由儲存有用於執行上述處理之程式之CDROM、USB等記錄媒體207，向通用電腦安裝該程式，藉此，亦能執行上述處理。而且，亦可使用通信線路、通信網路、通信系統等通信部204。此時，例如，亦可將該程式掲示於通信網路之揭示板上，並經由網路將其疊加於載波而提供。然後，啟動如此地提供之程式，並於OS(Operating System，作業系統)之控制下，與其他應用程式同樣地執行，藉此，可執行上述處理。
[冷卻控制部之構成] 繼而，使用圖5說明冷卻控制部300之控制構成。
冷卻控制部300係由爐內溫度獲取部351、溫度歷程記憶部353、排氣歷程記憶部355、閥開度歷程記憶部357、個別特性作成部359、目標溫度列作成部361、統合特性作成部363、制約附加最佳化計算部365、及開度信號供給部367所構成。
來自控制部200之目標溫度係被輸入至輸入端S。來自熱電偶66之爐內溫度係被輸入至輸入端F。來自控制部200之排氣風扇84之開啟關閉信號之資訊係被輸入至輸入端L。目標溫度、輸入端S及輸入端F係具有對應於熱電偶66之個數的數量，但因為其等之構成相同，故圖4中僅圖示出一個。
吸氣管101及冷卻閥102係如上文所述而設於每個冷卻區域，但圖5中為了便於說明而分別僅圖示出一個。亦即，冷卻閥102係於各區域中可設為不同開度，冷卻氣體係於每個區域被供給至吸氣管101。
熱電偶66係以與各區域相同之數量而配設於與內管13之內部空間之冷卻區域對應的位置，將晶圓1附近之溫度轉換為微小電壓後加以輸出。
冷卻控制部300係構成為，根據預先設定之控制週期，於每個微小時間中自輸入端S、輸入端F及輸入端L獲取輸入信號，並於每個微小時間將輸出信號更新而將其輸出。
爐內溫度獲取部351獲取熱電偶66之微小電力後加以平滑化以除去雜訊，並根據其物理特性而轉換為偵測溫度。即，爐內溫度獲取部351獲取自熱電偶66檢測出之爐內溫度。爐內溫度獲取部351係具有對應於熱電偶66之個數的數量。
溫度歷程記憶部353係自爐內溫度獲取部351輸入所有區域之爐內溫度或加熱器溫度，並將該等資料在一定期間內記憶於溫度歷程記憶領域內。溫度歷程記憶部353係自最初獲取之溫度起以既定間隔向溫度歷程記憶領域內依序進行寫入。當溫度歷程記憶領域被資料填滿後，捨棄最早的資料，並將新的資料寫入至該位置。從而，溫度歷程記憶部353構成為，可記憶距當前一定期間之過去溫度。
為了使與時刻相關之顯示統一，特定時刻t之處理中所寫入之溫度係作為1次前之溫度(例如，式1中顯示為y(t－1))而處理。已輸入之溫度係根據寫入時刻前之熱電偶66之電動勢的平均而算出的溫度。
排氣歷程記憶部355係自控制部200輸入排氣風扇84之開啟關閉信號，將該輸入之排氣風扇84之開啟關閉信號相關之資料在一定期間內記憶於排氣歷程記憶領域內。
閥開度歷程記憶部357分別輸入有向所有區域之冷卻閥102輸出之開度資訊，並將該資料在一定期間內記憶於閥開度歷程記憶領域內。閥開度歷程記憶部357係自最初獲取之開度起以既定間隔向閥開度歷程記憶領域內依序進行寫入。當閥開度歷程記憶領域被資料填滿後，捨棄最早的資料，將新的資料寫入至該位置。從而，閥開度歷程記憶部357構成為，可記憶距當前一定期間之過去開度。
為了使時刻之相關顯示統一，在特定時刻t之處理所寫入之開度係作為1次前之溫度(例如，式1中顯示為V a(t－1))而處理。已輸入之開度係在前一次處理算出並繼續至本次時刻而輸出之開度。
詳細而言，個別特性作成部359係自記憶部205獲取後述之作為特定之冷卻區域之預測模型的急冷預測模型，自溫度歷程記憶部353獲取爐內溫度或加熱器溫度之既定之過去溫度資料，自排氣歷程記憶部355獲取排氣風扇84之既定之過去之開啟關閉相關之資料，自閥開度歷程記憶部357獲取冷卻閥102之既定之過去之開度資料，算出以下由式2及式3說明之個別輸入回應特性矩陣S sr及個別零回應特性向量S zr。個別輸入回應特性矩陣S sr及個別零回應特性向量S zr係按作為控制對象之爐內溫度之數量(＝區域分割數)而算出。如上所述，急冷預測模型係自控制部200獲取，但亦可於冷卻控制部300內設置例如急冷預測模型記憶部。上文僅為一例。
[急冷預測模型] 急冷預測模型係指計算出對加熱器溫度及爐內溫度中之至少任一溫度進行預測之預測溫度的數式，且使用如下之式1。 [數1]
Figure 02_image001
[數2] 此處，
Figure 02_image003
為時刻t之預測溫度，y(t－1)為1次前之溫度， V a(t－1)、V a(t－2)、…、V a(t－n)為1次前、2次前、…、n次前之該冷卻區域之開度， V b(t－1)、V b(t－2)、…、V b(t－n)為1次前、2次前、…、n次前之該區域之一方所鄰接之區域之開度， V c(t－1)、V c(t－2)、…、V c(t－n)為1次前、2次前、…、n次前之該區域之另一方所鄰接之區域之開度， f(t－1)、f(t－2)、…、f(t－m)為1次前、2次前、…、m次前之排氣風扇84之開啟(=1)關閉(=0)之資料。
y0為基準溫度，例如，假設為室溫附近。基準溫度y0為20℃以上且30℃以下之範圍內之溫度。a 1、…、a n、b 1、…、b n、c 1、…、c n、d分別為既定之係數。n、m值為預先設定之值，表示需要之過去資料數。預測模型可針對各個冷卻區域而記憶並用於控制運算中。即，急冷預測模型係與各個溫度帶相對應。
根據式1，當1次前之溫度為基準溫度y0時，「y(t－1)－y0」為零，其結果為 [數3]
Figure 02_image005
故而，預測溫度＝1次前之溫度＝基準溫度y0。若爐內溫度為室溫，則即便使冷卻閥102之開度為全開而流動最大流量之冷卻氣體(＝室溫)，爐內溫度亦不變。此係表示在基準溫度下式1適當。
而且，根據式1而顯示出，例如，若為與C區域之溫度相關之急冷預測模型，則依存於各係數，不僅是C區域之冷卻閥102之開度，鄰接區域之CU區域、CL區域之冷卻閥102之開度亦影響預測溫度。藉此，可依存於各係數而表現出區域間之相互干涉。而且，式1之急冷預測模型中，使用排氣風扇84之開啟(＝1)關閉(＝0)之資料作為常數項，藉此，能改善急冷開始時之區域間之溫度誤差。此處，雖然已開始排氣風扇84之驅動，但急冷開始之前所有冷卻閥102均關閉，故而亦認為不會影響爐內溫度，但藉由考慮到急冷開始時之微小時間內排氣風扇84之動作對爐內環境氣體之排氣的影響，因此而改善急冷開始時之區域間之溫度誤差，並提昇溫度控制性。
此處，鄰接區域係鑒於冷卻特性而預先設定。例如，根據相互干涉情況，有時需要鄰接之2個區域。而且，就冷卻單元之特性而言，冷卻氣體於內部空間75內向上方流動，故而，有時例如僅設定鉛垂下側之鄰接之2個區域。
而且，根據式1，即便該區域或鄰接區域之冷卻閥102之開度全部為零(＝全閉)，但根據d之項，預測溫度亦會變化。藉此，可表現利用來自吸氣管101之冷卻氣體90進行之冷卻之外的冷卻，例如自然冷卻或利用非人為之間隙風進行之冷卻。
利用如下之式2所示之狀態空間模型表示上文所述之式1。 [數4]
Figure 02_image007
此處，矩陣A、B、C如下所述。再者，為了簡化表述，設為n＝4、m＝3。 [數5]
Figure 02_image009
[數6]
Figure 02_image011
而且，向量x(t)、u(t)、及、輸出y(t)如下所述。 [數7]
Figure 02_image013
[數8]
Figure 02_image015
其中，Y={y(t)－y0}。
式2中，若於時刻t輸入u(t)，且之後保持原樣地持續輸入u(t)，則t＋1之後之預測溫度如下之式3所示。 [數9]
Figure 02_image017
[數10] 其中
Figure 02_image019
Figure 02_image021
為預測溫度向量。
式2中，為了簡化表述，例示為n＝4、m＝3，但式3並不限於此。而且，式3中，S zr為個別零回應特性向量，S sr為個別輸入回應特性矩陣。
各個行數係依存於控制週期及控制器使用之CPU之運算處理性能而以可容許之數量進行計算。
個別零回應特性向量S zr表示預測溫度向量中受過去溫度及過去之冷卻閥102之開度影響而變化之變化量。而且，個別輸入回應特性矩陣S sr表示預測溫度向量中受本次算出之冷卻閥102之開度影響而變化之變化量。
以下，當按對應區域來區分個別輸入回應特性矩陣S sr、個別零回應特性向量S zr、及預測溫度向量時，與區域a對應之個別輸入回應特性矩陣記為S sr-a，與區域b對應之個別零回應特性向量記為S zr-b等。而且，與區域e對應之預測溫度向量記為
Figure 02_image023
等。
於設定溫度被更新之時間點，目標溫度列算出部361係自控制部200輸入目標溫度、當前之目標溫度及升降溫速率並算出個別目標溫度列向量S tg。升降溫速率係指示自當前之目標溫度變化至作為將來目標之最終目標溫度時之變化比例，例如，若設定為1℃/分鐘，則表示以於1分鐘間1℃之比例變化之指示。自控制部200輸入之資訊例如為，當前之目標溫度為100℃，當更新後之設定溫度為200℃，升降溫速率為10℃/分鐘時，目標溫度＝200℃，當前之目標溫度＝100℃，升降溫速率＝10℃/分鐘。之後，當前之目標溫度達到200℃之前，例如為150℃時，當設定溫度更新為300℃、升降溫速率更新為1℃/分鐘後，目標溫度＝300℃，當前之目標溫度＝150℃，升降溫速率＝1℃/分鐘。
而且，目標溫度列作成部361切換升降溫速率為零時及零以外時作成之個別目標溫度列向量S tg。
首先，當升降溫速率為零時，目標溫度列作成部361根據 (1)升降溫溫度偏差＝目標溫度－當前之目標溫度 (2)升降溫時間＝絕對值(升降溫溫度偏差)÷基準升降溫速率 (3)基準設定值＝當前之目標溫度＋升降溫溫度偏差×(1－exp(經過時間÷(升降溫時間÷時間常數)) 之基準設定值而算出個別目標溫度列向量S tg。時間常數例如設定為1.0。
繼而，升降溫速率為零以外時，目標溫度列作成部361根據 (1)升降溫溫度偏差＝目標溫度－當前之目標溫度 (2)升降溫時間＝絕對值(升降溫溫度偏差)÷升降溫速率 (3)基準設定值＝當前之目標溫度＋升降溫溫度偏差×(經過時間÷升降溫時間) 之基準設定值而算出個別目標溫度列向量S tg。
為了以下之說明，個別目標溫度列向量S tg如式4所示。 [數11]
Figure 02_image025
式4之時刻及行數與式3等之時刻及行數相對應。目標溫度列作成部361係具有與作為控制對象之溫度相同之數量、亦即與熱電偶66相同之數量。
以下，當按對應區域來區分個別目標溫度列向量S tg時，與區域a對應時記為S tg-a，與區域e對應時記為S tg-e等。
統合特性作成部363係自複數個個別特性作成部359輸入個別輸入回應特性矩陣S sr及個別零回應特性向量S zr，以及，自複數個目標溫度列作成部361輸入個別目標溫度列向量S tg，並作成統合特性方程式。
首先，使個別輸入回應特性矩陣S sr變形。個別輸入回應特性矩陣S sr表示，於時刻t時輸入u(t)，且之後保持原樣地連續輸入u(t)時之預測溫度之變化量。若不保持u(t)而於所有控制時間點輸入不同的值u(t)～u(t＋Np－1)，則式3之右邊第2項如下所示。再者，將式3之行數設為Np。 [數12]
Figure 02_image027
於周知之模型預測控制中，假設於所有運算處理之時間點輸入不同的值u(t)～u(t＋Np－1)，並將該等進行計算而求出。然而，冷卻控制部300之CPU之運算處理性能不充分，故而，本發明中，將輸入模式設為固定而使式3之右邊第2項如下所示。 [數13]
Figure 02_image029
[數14]
Figure 02_image031
如上所示使個別輸入回應特性矩陣S sr變形，並根據式3獲得如下之式5。 [數15]
Figure 02_image033
[數16]
Figure 02_image035
式5中，重新將S dsr作為個別輸入回應特性矩陣。當按對應區域來區分時，將與區域a對應之個別輸入回應矩陣記為S dsr-a等。
繼而，關於上文所述之式5及式4，排列於作為控制對象之全部冷卻區域。 [數17]
Figure 02_image037
[數18]
Figure 02_image039
如上所示，統合特性作成部363算出式6及式7中所示之統合輸入回應特性矩陣U dsr、統合零回應特性向量U zr、統合目標溫度向量U tg並輸出。
制約附加最佳化計算部365係自統合特性作成部363輸入統合輸入回應特性矩陣U dsr、統合零回應特性向量U zr、統合目標溫度向量U tg，並根據後述之被稱為有效制約法之方法來計算最佳的本次開度。
開度信號供給部367係具有與冷卻區域之分割數對應之數量，亦即與連接之冷卻閥102相同之數量，且以既定之控制週期自制約附加最佳化計算部365獲取對應之開度，並更新對於冷卻閥102之開度指示。
[第1有效制約法] 以下說明本發明中使用之第1有效制約法。有效制約法中，基於如下之式9之制約條件，求出以如下之式8給定之評估函數f(x)為最大值時之解向量x。 [數19]
Figure 02_image041
式8、式9中，c、Q、b、A為給定之常數矩陣或者向量。而且，記號T表示轉置。此時，有效制約法可藉由實施圖6所示之流程而求出解向量x。
S201中，選擇式9之等號無效之範圍內之解x k。而且，將式9之各行中等號有效之行之集合作為A e、b e。S201中，A e、b e均為空集合。而且，將式9之各行中等號無效行之集合作為A d、b d。S201中，A d＝A、b d＝b。
S203中，解出如下之聯立方程式，其解作為x、λ。若x＝x k時，進入S205。若x≠x k時，進入S207。 [數20]
Figure 02_image043
S205中，判定λ之要素是否全部為0以上。若全部為0以上，則進入S213。若λ之要素並非全部為0以上，則進入S211。
S207中，根據如下之式10求出α。b i、a i分別為自A d、b d抽選出之1行。若α＝1，則進入S205。若α＜1，則進入S209。 [數21]
Figure 02_image045
S209中，自A d、b d中刪除根據式10求出α(＜1)時使用之制約[b i、a i]，並將其追加至A e、b e中，進入S203。
S211中，選擇為負值且最小之λ之要素，自A e、b e中削除A e、b e中所含之制約中對應之[b i、a i]，並將其追加至A d、b d，進入S203。
S213中，將S203中求出之解x作為最佳解並結束該步驟。
圖6所示之有效制約法係使用附帶乘數λ來尋找使式9之各行中等號有效之行的組合，藉此，可求出滿足式9且使式8最大之解。
[對有效制約法之控制之應用] 繼而，說明本發明中有效制約法之應用方法。
統合特性作成部363中，可利用式6獲得爐內溫度之預測溫度列(預測溫度向量)，利用式7獲得目標溫度列(統合目標溫度向量)。因此，制約附加最佳化計算部365中，採用目標溫度列及預測溫度列之誤差之平方作為評估函數。評估函數V(u(t))係如以下之式11所示。 [數22]
Figure 02_image047
比較式11之第2項之外側之圓括號內部與式8，式8之c、Q分別可替換為以下之式。 [數23]
Figure 02_image049
藉此，利用前述之有效制約法，可得到使式11之第2項之外側之圓括號內部最大之解。故而，可求出使評估函數V(u(t))最小之解，作成使目標溫度列與預測溫度列之誤差之平方最小的評估函數V(u(t))，並以該評估函數V(u(t))最小之方式計算聯立方程式。而且，藉由解出該聯立方程式，可獲取預測溫度列之解中所含之冷卻閥102之開度，並由冷卻控制部300調整冷卻閥102之開度。
繼而，關於與制約相關之式9，若為了簡化表述而僅例示出與區域a～區域c之開度相關者，則如以下之式12所示，當對各區域之電力供給值k a、k b、k c分別給定箭頭左側之上下限限制時，如箭頭右側所示使不等式成立，藉此，可適用於式9。如下之式12中，LL a、UL a分別為對於區域a之電力供給值之上限及下限，LL b、UL b、LL c、UL c同樣分別為對於區域b、區域c之電力供給值之上限及下限。例如，設定為LL a＝0%、UL a＝100%。 [數24]
Figure 02_image051
[第2有效制約法]
繼而，說明本發明中可使用之第2有效制約法。上文所述之圖6所示之有效制約法中，當CPU之運算處理能力不充分時，有時無法於既定之控制週期內結束計算。因此，可使用圖7之流程代替圖6之流程而求出解向量x。
第2有效制約法與圖6中之第1有效制約法之差異在於：剛開始便追加S215，將S201之處理變更為S217，於S209、S211之後進入追加之S219，且根據S219中之判定而進入S203或者S213。下文中，僅說明第2有效制約法與第1有效制約法之差異。
S215中，初始化循環次數。
而且，S217中，選擇式9之等號無效範圍內之解x k。針對後述之S219中最佳化計算在中途結束之情況，特別將選擇之解作為式9之等號無效範圍內之上限值。例如，當區域a之開度為0≦V a(t)≦100時，選擇解為V a(t)＝99.9等。藉由如此選擇，使得S209中追加之制約優先為上限制約，故而，即便最佳化計算在中途結束，亦能求出安全的計算結果。
S219中，對循環次數進行遞增計數，若為既定次數以內，則進入S203。若超過既定次數，則進入S213，並將之前的S203中求出之解x作為最佳解並結束該步驟。
利用圖7所示之流程，能藉由必要最小限之處理完成最佳解之計算，故而能於既定之控制週期以內結束計算。
＜本發明之第2實施形態＞ 繼而，說明本發明之第2實施形態。本發明之第2實施形態中之冷卻控制部300中，將熱電偶65檢測出之溫度輸入至爐內溫度獲取部351，以代替熱電偶66檢測出之溫度。亦即，爐內溫度獲取部351獲取熱電偶65檢測出之加熱器溫度，並根據目標溫度進行控制。藉此，即便為不具有熱電偶66之構成，藉由利用熱電偶65檢測出之溫度亦可獲得與上文所述之實施形態相同之效果。
＜本發明之第3實施形態＞ 繼而，說明本發明之第3實施形態。
圖8係本發明之第3實施形態之冷卻控制部300之內部之控制方塊圖。第3實施形態中，代替圖5所示之控制方塊圖中之統合特性作成部363而使用統合特性作成部369，代替制約附加最佳化計算部365而使用最佳化計算部371。以下，僅對與上文所述之圖5所示之控制區塊不同之部分進行說明，並省略相同部分之詳細說明。
統合特性作成部369係自具有區域分割數之個別特性作成部359輸入個別輸入回應特性矩陣S sr及個別零回應特性向量S zr，以及，自具有區域分割數之目標溫度列作成部361輸入目標溫度列向量S tg，並作成統合特性方程式。
統合特性方程式並非利用式6及式7所示之方法作成，而是利用如下之式13及式14所示之方法作成。 [數25]
Figure 02_image053
[數26]
Figure 02_image055
式13、式14中，自第2段以後分別配有與區域a之差。能預先以參數等將區域a設定為差之基準。此處，雖以區域a作為差之基準，但差之基準亦可為區域a以外之區域。而且，式13、式14之時刻及行數與式6、式7對應。
而且，統合特性作成部369計算式13及式14中所示之統合輸入回應特性矩陣U dsr、統合零回應特性向量U zr、統合目標溫度向量U tg並輸出。
制約附加最佳化計算部371係自統合特性作成部369輸入統合輸入回應特性矩陣U dsr、統合零回應特性向量U zr、統合目標溫度向量U tg，並根據上文所述之有效制約法計算出最佳的本次開度。
最佳化計算部371中，採用下述者而作為評估函數：針對基準區域而加上目標溫度列與預測溫度列之誤差之平方，針對其他區域而加上該區域之預測溫度列與基準區域之預測溫度列之差之平方。其中，針對加上該區域之預測溫度列與基準區域之預測溫度列之差之平方所得者，考慮加權矩陣Z。評估函數V(u(t))係如下所示為式15。 [數27]
Figure 02_image057
[數28] 亦即，若置換為
Figure 02_image059
，
則可應用上文所述之有效制約法。此處，加權矩陣Z係，對於與基準區域之偏差相關之評估的加權設為1，對於與其他區域相對於基準區域之差相關之評估的加權設為Z的對角矩陣。Z採用例如1～10之值。 [數29]
Figure 02_image061
若根據圖8中所示之冷卻控制部300之控制方法，於控制溫度時，可考慮到各區域所設之溫度之區域間溫度偏差而進行控制，並對各區域所設之溫度之降溫大致同時以相同溫度歷程進行控制。
[急冷預測模型之更新處理之構成]
以下說明式1中例示之急冷預測模型之自動獲取程序。利用該程序決定急冷預測模型之係數(式1中之a 1、…、a n、b 1、…、b n、c 1、…、c n、d)。
圖9係急冷預測模型生成時冷卻控制部300進行之處理方塊圖。
隨機開度信號供給部373根據來自控制部200之命令而將三值離散值中隨機選擇之開度(以下，稱為隨機開度)指示給對應之冷卻閥102。隨機開度信號供給部373係具有與冷卻區域數、亦即冷卻閥102相同之數量。隨機開度可取之值、至變更為止之持續時間可自控制部200輸入、或者預先利用參數等設定。
急冷預測模型更新部375根據來自控制部200之命令，自記憶部205獲取急冷預測模型，自溫度歷程記憶部353獲取需要之過去溫度資料，自排氣歷程記憶部355獲取需要之過去之排氣風扇84之開啟關閉之相關資訊，自閥開度歷程記憶部357獲取需要之過去之開度之相關資訊，並算出該時間點所得之最新之急冷預測模型且進行更新，其後再次記錄。急冷預測模型之更新係於開始後以預先確定之週期反覆進行更新，且當按預先確定之時間反覆進行該動作後結束。
急冷預測模型更新部375具有與冷卻區域數對應之數量，亦即具有與冷卻閥102相同的數量。急冷預測模型之項數(式1中之n、m值)、相互干涉情況(式1)等可自控制部200輸入、或者預先利用參數等設定。
[急冷預測模型之更新方法] 繼而，說明急冷預測模型更新部375進行之急冷預測模型之更新方法。本發明中之更新方法使用的是遞迴最小平方法。如下之式17中使用矩陣、向量來表述式1。 [數30] 預測溫度與1次前之溫度之差之預測值
Figure 02_image063
如以下之式17所示。
Figure 02_image065
其中，Y＝y(t－1)－y0。 此處，時刻t表示本次之處理，x(t)之要素中之最新資料為V a(t－1)之原因在於：如上所述，將本次之處理中所得之開度等之時刻設為t－1。
如以下之式18所示計算預測模型之最新係數θ(t)。 [數31]
Figure 02_image067
此處，Δy(t－1)為本次獲取之溫度與前一次獲取之溫度之差(＝y(t－1)－y(t－2))。ρ係被稱為遺忘係數之參數，且預先作為參數而進行設定。P(t)為係數誤差相關矩陣，每當更新時與急冷預測模型一同記錄。初始值設定為例如以100～1000作為要素之單位矩陣。
急冷預測模型之係數θ(t)係於經過預先設定之時間之後記錄至冷卻控制部300內之既定之記憶領域。
[急冷預測模型之自動獲取程序] 繼而，利用圖10說明冷卻控制部300進行之急冷預測模型之自動獲取程序。
S300中，根據控制部200之指示，將爐內溫度控制為目標溫度T1。此時，藉由加熱器單元40、溫度控制部64及熱電偶66之反饋循環進行控制。
S304中，根據來自控制部200之指示而開始(開啟)排氣風扇84之驅動，同時，根據來自控制部200之指示而由冷卻控制部300按圖9所示之構成來開始急冷預測模型之更新。如圖9中之說明所述，冷卻控制部300一方面獨立地對各冷卻區域之冷卻閥102指示隨機開度，另一方面更新急冷預測模型(式18)。當自該步驟之開始時刻起經過預先設定之時間後，停止隨機開度之指示並確認急冷預測模型，將其記錄至冷卻控制部300內之既定之記憶領域。而且，該步驟結束時，控制部200停止(關閉)排氣風扇84之驅動。
S306中，判斷S304中確認之急冷預測模型是否妥當。判斷條件係採用執行S304之次數、或者S304執行中之預測模型之收斂狀況、或者其等之組合。 預測模型之收斂狀況係指，根據急冷預測模型之係數之變化量(=||θ(t)－θ(t－1)||；係數變化之範數)是大於還是小於臨限值來判斷。
若判斷結果為不妥當(＝No)，則再次返回至S300。若判斷結果為妥當(＝Yes)，則結束急冷預測模型之自動獲取程序。經確認之妥當的急冷預測模型係於後述之降溫步驟S5中實施本發明之溫度控制時，被個別特性作成部359讀出並使用。
[本發明之第2急冷預測模型] 繼而，說明本發明之第2急冷預測模型。上文所述之式1之急冷預測模型中，為了使預測溫度之精度足夠，有時需要將式1中之預先設定之n值設定為足夠大的值。然而，因冷卻控制部300之CPU之運算處理性能不充分，故有時若增大n值則無法於既定之控制週期內結束控制運算。於此，本發明者發現，可使用如下之式19之急冷預測模型來代替上文所述之式1之急冷預測模型。 [數32]
Figure 02_image069
此處，例如採用k＝2、或者、k＝10般之自然數，y(t－k)為k次前之溫度相對於基準溫度之偏差，V a(t－k)、V a(t－2k)、…、V a(t－nk)為k次前、2k次前、…、nk次前之該冷卻區域之開度，V b(t－k)、V b(t－2k)、…、V b(t－nk)為k次前、2k次前、…、nk次前之該區域之一方所鄰接之區域之開度，V c(t－k)、V c(t－2k)、…、V c(t－nk)為k次前、2k次前、…、nk次前之該區域之另一方所鄰接之區域之開度，f(t－k)、f(t－2k)、…、f(t－mk)為k次前、2k次前、…、mk次前之排氣風扇84之開啟(＝1)關閉(＝0)所相關之資訊，其他要素係與上文所述之式1相同。
而且，式19係於k＝1時與上文所述之式1一致。亦即，式19中，使用至nk次前之資料作為推定預測溫度之材料，但為了抑制運算量亦可僅使用各個k樣本之資料。
再者，若僅使用各個k樣本之資料，則會因雜訊等而使用離群值，故而，亦可使用如下之式20，該式20中使用例如經施以簡單移動平均等低通濾波處理後之各個k樣本之資料。 [數33]
Figure 02_image071
[數34] 此處，例如為
Figure 02_image073
或者
Figure 02_image075
等。
使用上文所述之式19或者式20作為急冷預測模型，藉此，即便特性中所含之頻率成分比較小，亦能高精度地獲取預測溫度，且能減少控制運算量。
繼而，利用圖11～圖13說明基板處理裝置10中進行之溫度時序之一例。圖12所示之符號S1～S6表示進行圖11之各步驟S1～S6。
步驟S1中，將爐內溫度維持為低於處理溫度T1之目標溫度T0。控制部200將目標溫度輸入至溫度控制部64。溫度控制部64對熱電偶66或熱電偶65檢測出之溫度進行反饋，並基於自控制部200輸入之目標溫度來控制對於電力供給電路63之電力供給值，藉此控制爐內溫度以維持目標溫度T0。此時，晶圓1未被搬入至處理室14。自該步驟S1至後述之步驟S4，控制部200關閉排氣風扇84之驅動，且將排氣風扇84之關閉信號之相關資訊通知給冷卻控制部300之排氣歷程記憶部355。而且，自步驟S1至後述之步驟S4，不進行冷卻控制部300之溫度控制，冷卻閥102為關閉狀態。
步驟S2中，若晶舟31中裝填有預先指定之片數之晶圓1，密封蓋25藉由晶舟升降機26而上升，藉此，保持有晶圓1群之晶舟31係被搬入(晶舟裝載)至內管13之處理室14。到達上限之密封蓋25抵接於歧管16，藉此，使製程管11之內部成為密封狀態。晶舟31係以保持被密封蓋25支撐之狀態存放於處理室14。此時，晶舟31及晶圓1之溫度低於爐內溫度T0，且將保持於晶舟31之晶圓1插入爐內後，爐外之環境氣體(室溫)被導入爐內，故而，爐內之溫度會暫時低於T0，但藉由溫度控制部64之控制，經過一段時間後，爐內之溫度再次穩定為T0。
步驟S3中，製程管11之內部係藉由排氣管18而進行氣體排出。而且，藉由溫度控制部64進行時序控制，而使爐內溫度自溫度T0逐漸升溫至用於對晶圓1實施既定處理之目標溫度T1。製程管11之內部之實際之上升溫度、與溫度控制部64之時序控制之目標溫度之誤差可藉由基於熱電偶65、66之計測結果之反饋控制而修正。而且，晶舟31藉由馬達29而旋轉。
步驟S4中，當製程管11之內壓及溫度、晶舟31之旋轉整體上為一定之穩定狀態時，原料氣體藉由氣體供給裝置23而自氣體導入管22導入至製程管11之處理室14。即，溫度控制部64進行如下控制：以既定之控制週期獲取加熱器溫度或爐內溫度及電力供給值，調整輸出至發熱體56之電力供給值；藉由如此進行控制，而使爐內溫度穩定維持目標溫度T1。已由氣體導入管22導入之原料氣體係於內管13之處理室14內流通，並通過排氣路17而由排氣管18排出。當於處理室14內流通時，原料氣體接觸於已加熱至既定之處理溫度之晶圓1而產生熱CVD反應，藉此，於晶圓1形成既定之膜。
當經過既定之處理時間時，步驟S5中，當停止處理氣體之導入後，氮氣等沖洗氣體係自氣體導入管22被導入至製程管11內部。同時，冷卻氣體90自吸氣管101經由擋止節流器104而被供給至氣體流路107。而且，自複數個作為冷卻氣體供給口之開口孔110吹出至內部空間75。而且，自開口孔110吹出至內部空間75之冷卻氣體90係經由排氣孔81、排氣管82及排氣風扇84排出。
步驟S5中，對基板之處理結束後，使爐內溫度迅速地自溫度T1再次降溫(下降)至比較低的溫度T0。此時，控制部200開始(開啟)排氣風扇84之驅動，且將排氣風扇84之開啟信號之相關資訊通知給冷卻控制部300之排氣歷程記憶部355。而且，藉由冷卻控制部300之控制，調整冷卻閥102之開度而獲得需要之溫度軌跡。此時，不進行溫度控制部64之溫度控制，將輸出至加熱器單元40之供給電力設為零。亦即，溫度控制部64構成為，使輸出至各控制區域之發熱體56之電力供給值設為零。
為了藉由以上之冷卻氣體90之氣流，強制性地使加熱器單元40整體冷卻，故而隔熱構造體42係與製程管11一同以大速率(速度)急速冷卻。再者，內部空間75係為了與處理室14隔離，故而可使用冷卻氣體90。然而，為了進一步提高冷卻效果、或為了防止因氣體內之雜質產生之於高溫下發熱體56之腐蝕，亦可使用氮氣等惰性氣體作為冷卻氣體。
當處理室14之溫度下降至目標溫度T0時，步驟S6中，藉由晶舟升降機26而使被密封蓋25支撐之晶舟31下降，藉此，上述晶舟31自處理室14被搬出(晶舟卸載)。此時，控制部200關閉排氣風扇84之驅動，且將排氣風扇84之關閉信號之相關資訊通知給冷卻控制部300之排氣歷程記憶部355。而且，此時，不進行冷卻控制部300之溫度控制，關閉冷卻閥102。
而且，當殘留有應實施處理之未處理之晶圓1時，晶舟31上之處理完之晶圓1係與未處理之晶圓1調換，並反覆進行該等步驟S1～S6之一系列處理。
上文所述之步驟S1～S6之處理均為，相對於目標溫度，當爐內溫度處於預先確定之微小溫度範圍內，且得到以使該狀態持續預先確定之時間以上的穩定狀態之後，進入如下之步驟。因此，例如步驟S3之升溫步驟中迅速地使爐內溫度收斂至目標溫度T1係成為重要的控制性能指標。
而且，為了對晶舟31所保持之複數個晶圓1實施相同處理，該等步驟中，要求複數個控制區域之爐內溫度經歷大致相同之溫度軌跡。因此，減小複數個控制區域之爐內溫度中之最大值減去最小值後所得之值(以下，記為區域間溫度偏差)係成為重要的控制性能指標。
根據本發明之冷卻控制部300，能減小區域間偏差。而且，即便於各個加熱器之溫度特性之差異大、或負責製程師無法獲得充分時間時，亦能自動獲取熱特性，而無需參數調整，或者容易地進行參數調整即可獲得最佳的控制方法。因此，可容易地獲得期待之裝置之性能。而且，根據本發明之冷卻控制部300，藉由考慮到急冷開始時之微小時間內排氣風扇84之動作對爐內環境氣體之排氣之影響，而可改善急冷開始時之區域間之溫度誤差，提昇溫度控制性。
[實施例1] 繼而，利用圖14(A)及圖14(B)說明將本發明之冷卻控制部300應用於上述降溫步驟(步驟S5)之情況下的實施例1。
圖14(A)係表示，將比較例之冷卻控制部300應用於上文所述之圖11中之步驟S5時，各區域之爐內溫度軌跡。圖14(B)係表示，將本實施例之冷卻控制部300應用於上文所述之圖11中之步驟S5時，各區域之爐內溫度軌跡。比較例之冷卻控制部控制冷卻閥102之開度，以使基準區域以外之熱電偶檢測出之溫度與基準區域之熱電偶檢測出之溫度的偏差為零。
若將圖14(A)所示之比較例之溫度控制下之區域間溫度偏差、與圖14(B)所示之本實施例之溫度控制下之區域間溫度偏差進行比較，可知藉由進行本實施例之溫度控制，可減小區域間溫度偏差。再者，圖14中，實際上對圖3所示之L2～U1區域之爐內溫度進行比較。
[實施例2] 繼而，利用圖15(A)及圖15(B)說明將本發明之冷卻控制部300應用於上文所述之圖11中之步驟S5之降溫步驟之實施例2。
圖15(A)中表示本實施例之冷卻控制部300中，不使用排氣風扇84之資訊而使用急冷預測模型進行溫度控制時爐內溫度之實測值、及其等與預測溫度之誤差即預測模型誤差。圖15(B)中表示使用本實施例之冷卻控制部進行溫度控制時爐內溫度之實測值、及其等與預測溫度之誤差即預測模型誤差。
如圖15(A)及圖15(B)所示，可確認到，使用利用排氣風扇84之資訊之急冷預測模型進行溫度控制，藉此，與使用不利用排氣風扇84之資訊之急冷預測模型進行溫度控制的情況相比，急冷實測值與預測溫度之誤差減小，預測模型誤差變小。尤其可確認到，能減小急冷開始時之預測模型誤差，溫度控制性提昇。
以上，已具體說明本發明之實施形態，但本發明並不限於上述之實施形態及實施例，可於不脫離其宗旨之範圍內進行各種變更。
再者，上文所述之實施形態中記載有，於步驟S5中使用急冷預測模型進行溫度控制，但其他步驟中亦可同樣地使用預測模型進行溫度控制。例如，步驟S4中亦可為，溫度控制部64進行如下控制：按既定之控制週期獲取加熱器溫度或爐內溫度及電力供給值，使用記憶部205中記憶之預測模型，調整輸出至發熱體56之電力供給值，以使最終目標溫度與預測溫度之偏差成為最小；藉此，使爐內溫度穩定地維持在目標溫度T1。
再者，上文所述之實施形態中係對於將溫度控制部64與冷卻控制部300分開設置之例進行說明，但本發明並不限於此例，亦可將溫度控制部64與冷卻控制部300合併為一個控制部。
而且，上述實施形態中係對於在晶圓200上形成既定之膜之例進行說明，但本發明中之膜種類並無特別限定。例如，於晶圓200上形成氮化膜(SiN膜)或金屬氧化膜等各種膜種時，均可適宜應用本發明。
而且，本發明並不限於應用在如上述實施形態之基板處理裝置般對半導體晶圓進行處理之半導體製造裝置等，亦可應用於對玻璃基板進行處理之LCD(Liquid Crystal Display，液晶顯示器)製造裝置。
1:晶圓(基板) 2:框體 3:待機室 10:基板處理裝置(處理裝置) 11:製程管 12:外管 13:內管 14:處理室 15:爐口 16:歧管 17:排氣路 18:排氣管 19:排氣裝置 20:壓力感測器 21:壓力控制部 22:氣體導入管 23:氣體供給裝置 24:氣體流量控制部 25:密封蓋 26:晶舟升降機 27:馬達 28:驅動控制部 29:旋轉機構 30:旋轉軸 31:晶舟 32、33:端板 34:保持構件 35:保持溝 36:隔熱蓋部 40:加熱器單元 41:外殼 42:隔熱構造體 43:側壁部 56:發熱體 63:電力供給電路 64:溫度控制部 65、66:熱電偶 75:內部空間(內側空間) 80:頂壁部 81:排氣孔(排氣口) 82:排氣管 84:排氣風扇 90:冷卻氣體 101:吸氣管 102:冷卻閥 104:擋止節流器 105:分隔部 107:氣體流路 110:開口孔 200:控制部 201:CPU 202:記憶體 203:電腦本體 204:通信IF(通信部) 205:記憶裝置(記憶部) 206:顯示・輸入裝置 207:記錄媒體 300:冷卻控制部 301:冷卻單元 351:爐內溫度獲取部 353:溫度歷程記憶部 355:排氣歷程記憶部 357:閥開度歷程記憶部 359:個別特性作成部 361:目標溫度列作成部(目標溫度列算出部) 363:統合特性作成部 365:制約附加最佳化計算部 367:開度信號供給部 369:統合特性作成部 371:最佳化計算部 373:隨機開度信號供給部 375:急冷預測模型更新部 S、F、L:輸入端 T0:目標溫度(爐內溫度) T1:目標溫度(處理溫度) U1、U2、CU、C、CL、L1、L2:控制區域(冷卻區域)
圖1係表示本發明之一實施形態之基板處理裝置之部分切斷前視圖。 圖2係本發明之一實施形態之基板處理裝置之正視剖視圖。 圖3係用於說明本發明之一實施形態之溫度控制部之圖。 圖4係表示本發明之一實施形態之基板處理裝置中之電腦之軟體構成之圖。 圖5係本發明之一實施形態之冷卻控制部之內部之控制方塊圖。 圖6係說明本發明中使用之第1有效制約法之流程圖。 圖7係說明本發明中使用之第2有效制約法之流程圖。 圖8係本發明之另一實施形態之冷卻控制部之內部之控制方塊圖。 圖9係本發明之急冷預測模型生成時之冷卻控制部之內部之控制方塊圖。 圖10係表示本發明之急冷預測模型之自動獲取處理之一例之控制方塊圖。 圖11係表示本發明之一實施形態之成膜處理中與溫度相關之處理之一例的流程圖。 圖12係表示圖11所示之流程圖中爐內之溫度變化的圖。 圖13係用於說明圖11所示之流程圖中控制部200、溫度控制部64及冷卻控制部300之動作的圖。 圖14(A)係表示使用比較例之冷卻控制部而進行溫度控制時，各區域之爐內溫度與區域間溫度偏差之圖。 圖14(B)係表示使用本實施例之冷卻控制部而進行溫度控制時，各區域之爐內溫度與區域間溫度偏差之圖。 圖15(A)係表示本實施例之冷卻控制部中未利用排氣風扇之資訊進行溫度控制時，爐內溫度之實測值、及預測溫度與其等之誤差之圖。 圖15(B)係表示使用本實施例之冷卻控制部進行溫度控制時，爐內溫度之實測值、及預測溫度與其等之誤差之圖。

Claims (19)

  1. 一種基板處理裝置，係構成為具有： 反應管，其係於內部構成對基板進行處理之處理室； 加熱器單元，其設於上述反應管之外側，且具有對上述基板進行加熱之加熱部； 冷卻單元，其具有對上述加熱器單元與上述反應管之間的空間供給冷卻媒體之冷卻閥； 排氣風扇，其對上述冷卻單元供給上述冷卻媒體；及 冷卻控制部，其獲取預測模型，上述預測模型係分別包含上述排氣風扇之資訊、作為將來目標之最終目標溫度、上述冷卻閥之開度且推測對上述加熱部之溫度及上述處理室之溫度中之至少任一溫度進行預測之預測溫度，上述冷卻控制部並調整上述冷卻閥之開度，以使預測溫度列與目標溫度列之誤差成為最小，該預測溫度列係藉由分別獲取上述加熱部之溫度及上述處理室之溫度中之至少任一溫度、上述冷卻閥之開度、及上述排氣風扇之資訊並根據上述預測模型而算出，該目標溫度列係根據自當前之目標溫度變化至上述最終目標溫度時的變化比例而算出。
  2. 如請求項1之基板處理裝置，其中，上述冷卻控制部具有：溫度歷程記憶部，其記憶上述加熱部之溫度及上述處理室之溫度中之至少任一溫度；排氣歷程記憶部，其記憶上述排氣風扇之開啟關閉信號；及閥開度歷程記憶部，其記憶向上述冷卻閥輸出之開度資訊；且構成為，上述溫度歷程記憶部、上述排氣歷程記憶部及上述閥開度歷程記憶部係於一定期間內記憶各資料。
  3. 如請求項1之基板處理裝置，其中，上述冷卻控制部進而具有作成部，該作成部獲取上述預測模型，並獲取上述加熱部之溫度及上述處理室之溫度中之至少任一溫度之過去的溫度資料、上述排氣風扇之過去的開啟關閉之資料、及上述冷卻閥之過去的開度資料，並算出個別輸入回應特性矩陣及個別零回應特性向量。
  4. 如請求項1之基板處理裝置，其中，上述預測模型係計算上述預測溫度之數式，且以如下之式1表示： [數1]
    Figure 03_image077
    [數2] 此處，
    Figure 03_image079
    為時刻t之預測溫度，y(t－1)為1次前之溫度， V a(t－1)、V a(t－2)、…、V a(t－n)為1次前、2次前、…、n次前之該冷卻區域之開度， V b(t－1)、V b(t－2)、…、V b(t－n)為1次前、2次前、…、n次前之該區域之一方所鄰接之區域之開度， V c(t－1)、V c(t－2)、…、V c(t－n)為1次前、2次前、…、n次前之該區域之另一方所鄰接之區域之開度， f(t－1)、f(t－2)、…、f(t－m)為1次前、2次前、…、m次前之排氣風扇之開啟關閉之資料， y0為基準溫度，n、m值為預先任意設定之值，a 1、…、a n、b 1、…、b n、c 1、…、c n、d分別為既定之係數。
  5. 如請求項4之基板處理裝置，其中，上述基準溫度y0為室溫附近之20℃以上且30℃以下之範圍內之溫度， 上述n、m值為需要之過去資料數。
  6. 如請求項3之基板處理裝置，其中，上述作成部作成如下之式3表示之式： [數3]
    Figure 03_image081
    [數4]
    Figure 03_image083
    式3中之S zr為個別零回應特性向量，S sr為個別輸入回應特性矩陣，
    Figure 03_image085
    為預測溫度向量。
  7. 如請求項6之基板處理裝置，其中，上述個別零回應特性向量S zr表示上述預測溫度向量中受過去之溫度及過去之開度影響而變化之量，上述個別輸入回應特性矩陣S sr表示上述預測溫度向量中受本次算出之開度影響而變化之量。
  8. 如請求項6之基板處理裝置，其中，上述冷卻控制部進而具有算出如下之式4中所示之個別目標溫度列向量S tg之目標溫度列作成部， 上述目標溫度列作成部係構成為，根據目標溫度、當前之目標溫度及自當前之目標溫度變化至最終目標溫度時的變化比例而算出上述個別目標溫度列向量S tg， [數5]
    Figure 03_image087
    式4之時刻t及行數係與式3之時刻t及行數對應。
  9. 如請求項8之基板處理裝置，其中，上述目標溫度列作成部算出上述目標溫度與上述當前之目標溫度之升降溫溫度偏差，並將上述升降溫溫度偏差之絕對值除以上述變化比例， 當上述變化比例為零時，利用如下之式算出基準設定值： 基準設定值＝當前之目標溫度＋升降溫溫度偏差×(1－exp(經過時間÷(升降溫時間÷時間常數)) 當上述變化比例為零以外時，利用如下之式算出基準設定值， 基準設定值＝當前之目標溫度＋升降溫溫度偏差×(1－exp(經過時間÷(升降溫時間)) 根據上述基準設定值而算出上述個別目標溫度列向量S tg。
  10. 如請求項8之基板處理裝置，其中，上述冷卻控制部進而具有根據上述個別輸入回應特性矩陣S sr、上述個別零回應特性向量S zr及上述個別目標溫度列向量S tg而作成既定之方程式的統合特性作成部， 上述統合特性作成部係構成為，將上述個別輸入回應特性矩陣S sr轉換為如下之式中所示之個別輸入回應特性矩陣S dsr： [數6]
    Figure 03_image089
    。
  11. 如請求項10之基板處理裝置，其中，上述統合特性作成部係構成為，將上述個別零回應特性向量S zr、上述個別輸入回應特性矩陣S dsr及上述個別目標溫度列向量S tg分別排列於作為上述控制對象之全部冷卻區域中，分別作成包含統合輸入回應特性矩陣U dsr及統合零回應特性向量U zr之預測溫度列、以及包含統合目標溫度向量U tg之目標溫度列。
  12. 如請求項11之基板處理裝置，其中，上述冷卻控制部進而具有計算部，該計算部作成表示上述目標溫度列與上述預測溫度列之誤差之平方的評估函數，並以上述評估函數成為最小之方式計算既定之聯立方程式， 上述計算部構成為，藉由解出上述既定之聯立方程式，而獲取上述預測溫度列之解中所含之上述冷卻閥之開度。
  13. 如請求項12之基板處理裝置，其中，上述冷卻控制部構成為具有開度信號供給部，該開度信號供給部係按既定之控制週期更新為自上述計算部獲取之針對上述冷卻閥之開度。
  14. 如請求項1之基板處理裝置，其中，上述加熱器單元被分割為複數個控制區域，且設有檢測各控制區域之溫度之溫度感測器， 上述冷卻單元被分割為複數個冷卻區域，且於各冷卻區域分別設有上述冷卻閥。
  15. 如請求項14之基板處理裝置，其中，對各冷卻區域之加熱部之溫度及處理室之溫度中之至少任一溫度之預測溫度進行預測的預測模型係對應於各個溫度帶。
  16. 一種溫度控制程式，其係於基板處理裝置中執行者，該基板處理裝置具備： 反應管，其係於內部構成對基板進行處理之處理室； 加熱器單元，其設於上述反應管之外側，且具有對上述基板進行加熱之加熱部； 冷卻單元，其具有對上述加熱器單元與上述反應管之空間供給冷卻媒體之冷卻閥；及 排氣風扇，其對上述冷卻單元供給上述冷卻媒體； 該溫度控制程式使上述基板處理裝置執行如下程序： 獲取預測模型的程序，該預測模型係分別包含上述排氣風扇之資訊、作為將來目標之最終目標溫度、上述冷卻閥之開度，且推測對上述加熱部之溫度及上述處理室之溫度中之至少任一溫度進行預測之預測溫度； 分別獲取上述加熱部之溫度及上述處理室之溫度中之至少任一溫度、上述溫度比率、上述冷卻閥之開度、及上述排氣風扇之資訊的程序；及 調整上述冷卻閥之開度的程序，以使根據上述預測模型算出之預測溫度列、與根據自當前之目標溫度變化至上述最終目標溫度時的變化比例算出之目標溫度列的誤差成為最小。
  17. 一種半導體裝置之製造方法，其具有：使對基板進行處理之處理室之溫度自既定之溫度升溫至處理溫度的步驟、維持上述處理溫度而對上述基板進行處理之處理步驟、及於上述處理步驟之後使上述處理室之溫度自上述處理溫度下降之步驟； 使上述處理室之溫度下降之步驟中具有： 分別獲取加熱部之溫度及上述處理室之溫度中之至少任一溫度、冷卻閥之開度、及排氣風扇之資訊的步驟；及 調整上述冷卻閥之開度的步驟，以使根據預測模型算出之預測溫度列、與根據自當前之目標溫度變化至上述最終目標溫度時的變化比例而算出之目標溫度列的誤差成為最小，該預測模型分別包含上述排氣風扇之資訊、作為將來目標之最終目標溫度、及上述冷卻閥之開度，且推測對上述加熱部之溫度及上述處理室之溫度中之至少任一溫度進行預測之預測溫度。
  18. 如請求項17之半導體裝置之製造方法，其中，於使上述處理室之溫度下降之步驟中，構成為使自上述加熱部輸出之電力供給值為零。
  19. 一種溫度控制方法，其具有如下步驟： 分別獲取加熱部之溫度及處理室之溫度中之至少任一溫度、冷卻閥之開度、及排氣風扇之資訊的步驟；及 調整上述冷卻閥之開度的步驟，以使根據預測模型算出之預測溫度列、與根據自當前之目標溫度變化至上述最終目標溫度時的變化比例而算出之目標溫度列的誤差成為最小，該預測模型分別包含上述排氣風扇之資訊、作為將來目標之最終目標溫度、及上述冷卻閥之開度，且推測對上述加熱部之溫度及上述處理室之溫度中之至少任一溫度進行預測的預測溫度。
TW110126723A 2020-09-30 2021-07-21 基板處理裝置、溫度控制程式、半導體裝置之製造方法及溫度控制方法 TWI777677B (zh)

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