WO2004038776A1 - 熱処理装置及び熱処理方法 - Google Patents

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WO2004038776A1
WO2004038776A1 PCT/JP2002/011112 JP0211112W WO2004038776A1 WO 2004038776 A1 WO2004038776 A1 WO 2004038776A1 JP 0211112 W JP0211112 W JP 0211112W WO 2004038776 A1 WO2004038776 A1 WO 2004038776A1
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zone
temperature
temperature detection
value
heat treatment
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PCT/JP2002/011112
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Tomomi Ejima
Original Assignee
Tokyo Electron Limited
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    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/67—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67005—Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67242—Apparatus for monitoring, sorting or marking
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    • H01L21/67011—Apparatus for manufacture or treatment
    • H01L21/67098—Apparatus for thermal treatment
    • H01L21/67109—Apparatus for thermal treatment mainly by convection

Definitions

  • the present invention relates to a heat treatment apparatus and a heat treatment method for performing heat treatment on a substrate such as a semiconductor wafer.
  • a vertical type heat treatment apparatus is used in the manufacturing process of semiconductor devices that performs heat treatment such as film formation processing by chemical vapor deposition (CVD), oxidation, and diffusion processing on a large number of semiconductor wafers (hereinafter referred to as wafers) collectively. is there.
  • a large number of wafers are held in a shelf shape by a holder called a wafer boat, and then the holder is loaded into, for example, a vertical heat treatment furnace from below, for example, and a processing atmosphere is defined.
  • the heat treatment is performed in a heating atmosphere at a temperature of.
  • a heat treatment furnace is configured to have a plurality of heating means and temperature control means corresponding to each of the zones to be heated divided into a plurality of upper and lower zones so that the temperature can be controlled for each zone. .
  • reference numeral 101 denotes a reaction vessel whose lower side is open, and a heater 200 divided into, for example, upper and lower three stages is provided around the reaction vessel.
  • the heat source 200 is composed of a main heat source 202 for heating most of the heat treatment region, and sub heat sources 201 and 203 provided above and below the main heat source.
  • thermocouple 300 (301 to 303) is provided inside the reaction tube 101 so as to detect the temperature of the heat treatment atmosphere assigned to each heater 200, respectively.
  • External thermocouples 400 (401 to 4003) are provided near the evening at 20 °.
  • the control unit 500 (50 1 to 50 0) provided for each heater 200 (200 to 203) detects the temperature value obtained from each thermocouple 300, 400. It is configured to take in 3). That is, the control section 500 (501 to 503) determines the corresponding temperature 200 (200 to 1300) based on the detected temperature value and the target temperature value set for each stage. It is possible to separately control the amount of generated heat for each 203).
  • the vicinity of the lower sub-heater 203 is affected by the external atmosphere flowing into the reaction tube 101 through the opening 102, and the The temperature is lower than in the vicinity of 02.
  • the sub heater 203 The temperature in the vicinity further decreases, and as the wafer boat 103 rises, the vicinity of the main heater 202 and the vicinity of the upper sub-heater 201 are also affected and the temperature decreases.
  • the temperature in the vicinity of the heater 200 becomes higher toward the upper side, and the temperatures of the wafer W and the wafer boat 103 are gradually warmed by the heat 200 as the positions thereof rise. Therefore, the temperature distribution in the vertical direction in the vicinity of the heater 200 changes every moment according to the position of the wafer boat 103. As a result, the temperature near the subheater 203 on the lower end side drops rapidly due to the loading of the wafer boat 103, and the control unit 503 acts to increase the power input to the subheater 203. I do.
  • the temperature near the main heater 202 decreases with the introduction of the wafer boat 103, but its degree is smaller than that near the subheater 203, so the power input amount by the control unit 502 is not so large. not big.
  • the temperature control of the main heater 202 and the temperature control of the sub heater 203 are different from each other, and the temperature control differs depending on the change in the vertical temperature distribution near the heater 200. And the temperature changes in both zones will affect each other.
  • the present invention has been made based on such circumstances, and an object of the present invention is to quickly stabilize the temperature of each zone when processing a substrate in a heat treatment atmosphere divided into a plurality of zones. It is an object of the present invention to provide a technology capable of improving a throughput.
  • the present invention provides a reaction vessel divided into a plurality of zones, a substrate holder which supports a plurality of substrates and is carried into the reaction vessel, a heating means provided for each zone, A temperature detection unit provided for each zone; and a control unit provided for each zone and independently controlling each heating unit. Based on the temperature detection value of the temperature detection unit corresponding to one zone, calculation is performed using the temperature detection value of the temperature detection unit corresponding to the other zone as a temperature target value, and the calculation result is used as a control signal of the heating means.
  • This is a heat treatment apparatus characterized by having a first arithmetic unit for outputting.
  • the temperature detection unit includes a first temperature detection unit that detects a temperature near a heating unit, and a temperature detection value of the temperature detection unit corresponding to the other zone is a temperature detection value of the first temperature detection unit.
  • the temperature detection unit includes a second temperature detection unit that detects a temperature in the reaction vessel, and a temperature detection value of the temperature detection unit corresponding to the another zone is a temperature of the second temperature detection unit. It is a heat treatment apparatus characterized by being a degree detection value.
  • the control unit corresponding to one zone when heat-treating the substrate, is based on a temperature target value set for the one zone and a temperature detection value of the temperature detection unit corresponding to the one zone.
  • the temperature detection unit includes a first temperature detection unit that detects a temperature in the vicinity of the heating unit and a second temperature detection unit that detects a temperature in the reaction vessel.
  • the first calculation unit of the unit performs calculation using the temperature detection value of the first temperature detection unit or the second temperature detection unit corresponding to another zone as the temperature target value when the substrate is loaded.
  • the calculation result is output as a control signal of the heating means, and the control unit corresponding to one zone, when heat-treating the substrate, sets the temperature target value set for the one zone and the first target corresponding to the zone.
  • a heat treatment apparatus further comprising: a second operation unit that performs an operation based on the temperature detection values of the temperature detection unit and the second temperature detection unit and outputs the operation result as a control signal of the heating unit. It is.
  • the first calculation unit of the control unit corresponding to one zone includes a value obtained by adding a correction value to a temperature detection value of a temperature detection unit corresponding to another zone, and a temperature detection value corresponding to the one zone.
  • a heat treatment apparatus characterized in that a calculation is performed based on a deviation from a temperature detection value of the section, and the calculation result is output as a control signal of the heating means.
  • the first arithmetic unit of the control unit corresponding to one zone calculates a difference between a temperature target value set for one zone and a temperature target value corresponding to another zone when the substrate is subjected to the heat treatment.
  • the present invention is the heat treatment apparatus, wherein the first calculation unit of the control unit corresponding to one zone performs a calculation based on a value obtained by multiplying the deviation by a predetermined ratio.
  • the reaction vessel is configured vertically, the substrate holder is carried in from the lower side of the reaction vessel, and the inside of the reaction vessel is divided into at least three stages in the vertical direction, and the one zone is a lowermost zone. And the other zone is a zone other than the top zone.
  • the present invention provides a heat treatment method in which a substrate holder supporting a plurality of substrates is carried into a reaction vessel divided into a plurality of zones, and each zone is heated by heating means corresponding to each of the plurality of zones.
  • the present invention is the heat treatment method, wherein the temperature target value in one zone is a value obtained by adding a correction value to a temperature detection value corresponding to another zone when the substrate holder is carried in.
  • the present invention provides a method for carrying out heat treatment of a substrate when loading the substrate holder.
  • This is a heat treatment method characterized by using a difference between a temperature target value set for the other zone and a temperature target value corresponding to another zone as a correction value.
  • the heat treatment method when loading the substrate holder, when controlling the heating means corresponding to the one zone, a temperature target value obtained from a temperature detected value of the zone and a temperature detected value corresponding to another zone;
  • the heat treatment method is characterized in that a calculation is performed based on a value obtained by multiplying a deviation from a value obtained by adding a correction value to a temperature target value by a predetermined ratio.
  • the temperature control in one zone follows the temperature control in the other zone, so that the temperature in the reaction vessel is quickly stabilized after loading the substrate. I do. For example, if the temperature inside the reaction vessel is then raised to the process temperature, it quickly stabilizes at the process temperature.
  • the present invention can be applied to the case where the temperature of each zone at the time of carrying in the substrate and the temperature of each zone at the time of processing are the same.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing an embodiment of a heat treatment apparatus according to the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a control unit used in the present embodiment and its related parts.
  • FIG. 3 is a block diagram showing an internal configuration of a first arithmetic unit provided in the control unit.
  • FIG. 4 is a block diagram showing an internal configuration of a second arithmetic unit provided in the control unit.
  • FIG. 5 is an operation explanatory diagram showing a relationship between a temporal change in temperature and an arithmetic unit used in the present embodiment.
  • FIG. 6 is an operation explanatory diagram for explaining the operation of the first arithmetic unit.
  • FIG. 7 is a characteristic diagram showing a state of a temperature change in each external thermocouple when a wafer boat is carried in.
  • FIG. 8 is a longitudinal sectional view showing the entire structure of a conventional heat treatment apparatus.
  • FIG. 1 is an overall configuration diagram of an embodiment in which the present invention is applied to a vertical heat treatment apparatus.
  • this apparatus is composed of an inner pipe 1a open at both ends and an outer pipe 1b closed at the upper end.
  • a double-walled reaction tube 1 made of quartz is provided.
  • the inside of the reaction tube 1 is vertically divided into three zones ⁇ 2 and ⁇ 3.
  • a cylindrical heat insulator 21 is fixedly mounted on a base body 22 around the reaction tube 1. Inside the heat insulator 21 is a heating means, for example, a heater made of a resistance heating element. 3 and ceiling heater 31 are provided.
  • the heater 3 is, for example, divided into three sections (3a, 3b, 3c) vertically and provided on the side wall of the heat insulator 21, and the ceiling heater 31 is provided on the ceiling.
  • the heat Isseki 3 a in zone Z i, human Isseki 3 b in the zone Z 2, a heater 3 c is provided so as to respectively correspond to the zone Z 3.
  • Human Isseki 3 b of the middle zone Z 2 of the human Isseki 3 (3 a ⁇ 3 c) is an speak Meinhi Isseki forming the heat treatment atmosphere of most of the reaction tube 1 as shown in FIG.
  • the heaters 3a and 3c arranged above and below are so-called sub heaters smaller than the main heater 3b which forms the heat treatment atmosphere at the upper end and the lower end of the reaction tube 1, respectively.
  • a material of the light source 3 for example, a carbon wire formed by knitting using a plurality of bundles of high-purity carpon fiber having a wire diameter of about 10 microns is used as a ceramic, for example, an outer diameter of more than ten millimeters. What is sealed in a transparent quartz tube can be used.
  • Heat sink 3 is not limited to this, and may be a metal body such as iron-tantalum-force-bon alloy.
  • the inner pipe 1a and the outer pipe 1b are supported on the lower part on a cylindrical manifold 23, and the manifold 23 has a supply port in a lower region inside the inner pipe 1a.
  • a gas supply pipe 24 is provided so as to open, and an exhaust pipe 25 having one end connected to a vacuum pump (not shown) is connected so as to exhaust air from between the inner pipe 1a and the outer pipe 1b.
  • the reaction vessel is composed of the inner tube 1a, the outer tube 1b, and the manifold 23.o
  • a lid 11 is provided so as to close the lower end opening of the manifold 23, and the lid 11 is provided on the boat elevator 12.
  • a heating unit 13 is connected to a drive unit 14 provided in the boat elevator 12, and a rotating shaft 15 provided through the inside of the heating unit 13.
  • a wafer boat 16 serving as a substrate holder that is rotatably held at its lower end by a shaft 15 is provided.
  • the wafer boat 16 is configured to hold a large number of wafers W as shelves, and the heat retaining unit 13 is a heat insulating unit such as a quartz fin. a and the heat generating unit 13 b are combined.
  • a thin quartz tube 40 for a thermocouple is provided inside the inner tube 11a.
  • each of the three divided tubes 3 (3a, 3b, 3) c) receives lifting one zone Zi, Z 2, Z 3 3 pieces of temperature is an internal temperature detector in each zone Zi ⁇ Z 3 to each detection of an internal thermocouple (second temperature detecting portion 4) (4a, 4b, 4c) are provided.
  • an external thermocouple (the first thermocouple), which is an external temperature detector for detecting the temperature of the heater 3 (3a, 3b, 3c), respectively.
  • temperature detecting section) 5 (5 a, 5b, 5 c) is provided for each Kakuzoichin Z i ⁇ Z 3.
  • the internal thermocouple 4 (4a, 4b, 4c) and the external thermocouple 5 (5a, 5b, 5c) are each control unit 6 of the zone Zi ⁇ Z 3 in each stage the corresponding, 7 are connected to the 8 to any one of heating evening 3.
  • thermocouple 5 b extends from an external thermocouple 5 b provided in the middle zone Z 2 in charge of signal
  • the line branches off in the middle and is connected not only to the control unit 7 but also to the control units 6 and 8.
  • a thermocouple 32 is also provided on the ceiling heater 31 provided on the ceiling of the heat insulator 21 in the same manner as the heater 3 (3a, 3b, 3c), and power is supplied from the controller 33. By controlling the amount of power supplied to the heater 31 via the section 34, the amount of heat generated is adjusted.
  • Heater 3 (3a, 3b, 3c) and the controllers 6, 7, and 8 connected to it have the above-mentioned wiring structure because Heater 3 is divided into zones Zi to Z3 of each stage.
  • the temperature control value of the external thermocouple 5b corresponding to the main heater 3b is used in other parts, and in the heaters 3a and 3c, the so-called tracking control is used. This is because it is possible to perform an operation to switch between the cases where the operation is performed.
  • the configuration of the control system of the heater 3 which is a main part of the present embodiment will be described with reference to FIG. First, the control units 6 and 8 need to use two arithmetic methods as described above.
  • control unit 6 has a first calculation unit 61 and a second calculation unit 62
  • control unit 8 has a first calculation unit 81 and a second calculation unit 82.
  • the control unit .7 that does not need to switch the operation method has only the second operation unit 72 (71 is omitted for convenience). That is, the first calculating unit 61 of the controller 6, 8, 81, the control unit 6, 8 add follow the temperature detection value obtained from the zone Z 2 to the track (precisely to the control unit 7 to the control unit 7 takes charge This is used when performing an operation. Therefore, the signal line extending from the external thermocouple 5b is connected to the first arithmetic unit 61 in the control unit 6 and to the first arithmetic unit 81 in the control unit 8, respectively.
  • the operation result output from the first operation unit 61, 81 or the second operation unit 62, 72, 82 is output to the power supply unit 20 (20a, 20b, 20c) as a control signal.
  • the switching unit 64 (84) allows selection of either the first arithmetic unit 61 (81) or the second arithmetic unit 62 (82).
  • the configuration of the first arithmetic units 61 and 81 will be described. Since these have the same structure, the first arithmetic unit 81 will be described with reference to FIG. 3 as an example. In FIG.
  • reference numeral 81 1 denotes a comparison operation unit
  • reference numeral 812 denotes a correction value output unit.
  • a temperature detection value of the external thermocouple 5 b provided in the middle zone Z 2 is set as a temperature target value
  • the relative temperature target value output from the correction value output section 812 adds the correction value, further subtracting the detected temperature value of the external thermocouple 5 c provided in the lower part of the zone Z 3.
  • the correction value is, so to speak static correction factor for correcting the difference between the target temperature during the process in the middle zone Z 2 and the lower zone Z 3.
  • this correction value is obtained, for example, as a difference value between both temperature target values output from target value output units 73 and 83 used in second calculation units 72 and 82 described later.
  • the output side of the comparison operation unit 811 has a predetermined relationship with its output value (deviation) q1.
  • a multiplication unit 8 13 for multiplying the number k is provided. As described above, the lower zone Z 3 to which the control unit 8 corresponds is closest to the lower opening of the reaction tube 1 a and is easily affected by the cold air flowing in with the wafer boat 16. The heating output required for raising the temperature is larger than that of 2 . In consideration of this, the multiplication unit 8 13 adds a predetermined coefficient k to the output value q 1 as described above to reflect the increase in the output from the comparison operation unit 8 11 1 in the output value. A so-called dynamic correction is performed to multiply.
  • the value of the coefficient k is, for example, 1.2 (for example, 0.8 in the first calculating unit 61 corresponding to the upper zone Zi where the influence of the cool air is small).
  • Various calculations (PID calculation) for the integral element I 1, the proportional element P 1, and the derivative element D 1 are performed on this output value, and the power corresponding to the deviation q 1 is passed through the mixing section 8 14.
  • Output value B1 for supplying is output.
  • the second arithmetic unit 82 incorporates a temperature detection value of the internal thermocouple 4c into a major loop, and performs a cascade control in which a temperature detection value of the external thermocouple 5c is incorporated into a minor loop.
  • Symbols 8 2 1 to 8 24 denote a comparison operation unit, I 1 denotes an integral element, P 2 denotes a proportional element, and .D 2 denotes an integral element.
  • control unit 6 described so far is actually configured by a CPU, R 0 M storing a program, a memory storing a temperature set value, or the like, or is performed by software by each arithmetic program.
  • such an operation may be performed by a hardware configuration.
  • the switching section 84 (64) the switching from the first processing section 81 (61) to the second processing section 82 (62) was performed, for example, when the wafer boat 16 was loaded. After the temperature rise in the reaction vessel is detected before the temperature rise, or after a predetermined time has elapsed after the wafer boat 16 is loaded, the reverse switching timing, for example, after the process Or when the temperature inside the reaction vessel has dropped to a predetermined temperature.
  • the heating of the wafer W in the above apparatus is provided on the side of the reaction tube 1. It is held between the main building 3 and the ceiling building 31 on the upper side. Since the main part in the present embodiment is a control method of the heater 3 (3a, 3b, 3c) provided separately, the description will be made with reference to FIG. 5 while paying attention to this point.
  • the wafer boat 16 on which the wafers W, which are substrates, are mounted in a shelf shape is raised by raising the boat elevator 12 at time t 1 in FIG. 5 so that the reaction vessel (reaction tube 1 and manifold 23) is raised. It begins to be carried inside.
  • the reaction tube 1 has already been heated to a predetermined temperature, for example 6 0 0 ° C extent, the control unit 6, 8 corresponding to the upper and lower zone Z l 5 Z 3, as described above switching unit 6 4, 8 4 in the first arithmetic unit 6 1, 8 1 are selected so as to follow the temperature control of the middle zone Z 2 to.
  • a predetermined temperature for example 6 0 0 ° C extent
  • the wafer boat 1 6 is carried into the reaction vessel, cooled lower zone Z 3 is the most, the middle zone Z 2 is also cooled, to be cooled slightly upper zone.
  • the temperature of the control unit 8 in the external thermocouple 5 c corresponding to the lower zone Z 3 is to you'll sharply increases the power supplied to Sabuhi evening 3 c becomes lower, the temperature of the middle zone Z 2 is a temperature target value Since the detected value also decreases, an increase in the amount of power supplied to the sub-night 3c is slightly suppressed in accordance with the decrease. Then with increasing temperature detection value of the middle zone Z 2, the temperature of the lower Sabuhi evening 3 c is gradually increased summer.
  • the temperature of the middle zone Z 2 External thermocouples 5 b is Ri Do a state of overshoot beyond the target temperature, thereafter the temperature of the external thermocouple 5 b is lowered toward the target temperature. Power to the sub-heater 3 c of the lower zone Z 3 to follow such a temperature movement of the middle zone Z 2 Feed rate is controlled, converges to a temperature target value temperature Sabuhi evening 3 c is in accordance with the convergence of the temperature of the Sabuhi Isseki 3 b of the middle zone Z 2.
  • the power supply amount to follow the temperature of the movement of Meinhi evening 3 b of the middle zone Z 2 even Sabuhi evening 3 a of the upper zone Z t is controlled, the temperature of Sabuhi evening 3 a is middle stage zone Z 2 Meinhi
  • the temperature converges to the target temperature in accordance with the convergence of the temperature at 3b overnight.
  • the temperature at which the subheater 3 c (3 a) converges is calculated by adding a correction value to the temperature detection value of the middle zone Z 2 as shown in FIG.
  • control units 6, 8 control the first arithmetic units 61, 81 through the first calculation units 61, 81.
  • the operation is switched to the operation units 6 2 and 8 2 to control the power of the heaters 3 a and 3 c.
  • heat treatment is performed on the wafer W.
  • the inside of the reaction vessel is maintained at about 800 ° C.
  • a predetermined film forming gas is supplied from the gas supply pipe 23 into the reaction vessel, and the exhaust gas is evacuated from the exhaust pipe 25.
  • Switching to 62 or 82 may be performed during heating or when the process temperature is stabilized.
  • the temperature is lowered to, for example, about 600 ° C., which is the temperature at the time of loading. Then, the wafer boat 16 is carried out.
  • the temperature of the main heat Isseki 3 b near the middle zone Z 2 is a temperature target value is also reduced, deviations between the target temperature and the temperature detection value is small fence Therefore, it is possible to moderately increase the amount of heat generated by the subheater 3c. Then, the temperature in the vicinity of the subheater 3c exceeds the original temperature target value and overshoots. Then, the calorific value of the subheater 3c tends to decrease (the temperature tends to decrease). Since the calorific value of c follows the temperature in the vicinity of 3b in Maine, the temperature can be reduced more slowly than in the case where the temperature target value was constant as before.
  • the fluctuation of the temperature in the vertical direction is suppressed, and the soft landing is quickly performed to the temperature target value.
  • the temperature near the sub zone 3a in the upper zone follows the temperature near the main zone 3b, so that the temperature quickly stabilizes to the target temperature.
  • the controller 6 depending on the degree to which the temperature of each zone Zi to Z 3 is affected by the wafer zone 16 and the wafer W.
  • the first arithmetic units 6 1 and 8 1 of 8 the following ratio for the control unit 7 in the middle zone Z 2 is incorporated.
  • the upper zone - the degree of influence of emission undergoes a small fence than the degree of influence of the middle zone Z 2 is subjected, also the degree of influence of the lower zone Z 3 receives the middle zone Z 2 Since the degree of influence is larger than the degree of influence, the following ratio of the control unit 6 in the upper zone Z i is set to 0.8, and the following ratio of the control unit 8 in the lower zone Z 3 is set to 1.2.
  • temperature distribution upper zone temperature control commensurate with ZL can be performed by people each of the lower zone Z 3, the temperature of each zone from the point quickly stabilizes the temperature target value. Furthermore, since the temperature stabilization time of each zone after the loading of the wafer boat 16 greatly affects the throughput, this embodiment improves the throughput. Can be made.
  • Fig. 7 shows the temperatures of the vicinity of the subheater 3a, the vicinity of the main heater 3b, and the vicinity of the subheater 3c before the wafer boat 16 was loaded into the reactor in the vertical heat treatment apparatus shown in Fig. 1.
  • the time-dependent changes in the temperature near each heater 3a to 3c when the wafer boat 16 was loaded from a state where the temperature was stable at 575 ° C and 573 ° C 560 ° C were simulated. It shows the results obtained.
  • the time from the start of loading the wafer port 16 to the stabilization of the temperature around 3 a to 3 c each time is approximately 13 minutes, and the temperature of each zone is short when the wafer W is loaded. It turns out to be stable.
  • each zone Z i of the upper and lower as a calculation method for obtaining the follow-up ratio between the middle zone definitive to Z 3, align only multiplied by coefficient k a predetermined technique
  • k may be changed according to the position of the wafer boat 16 when the wafer boat 16 is raised.
  • the temperature detection values of the internal thermocouples 4 a to 4 c corresponding to the respective control units 6, 7, 8 are taken in when the wafer W is carried in, and the control unit 6, 8 receives the middle zone Z 2.
  • the temperature detection values of the internal thermocouples 4b and 4b are compared with the temperature detection values of the internal thermocouples 4a and 4c, respectively, and the temperature of the sub-heaters 3a and 3c is controlled according to the deviation.
  • the controller 3b may control the main heater 3b according to the deviation between the dedicated temperature target value and the detected temperature value of the internal thermocouple 4b.
  • the present embodiment also, for Sabuhi Isseki 3 c of the lower zone Z 3 only, may be performed following control to the temperature target value temperature detection value corresponding to the middle zone Z 2.
  • the temperature of each zone can be quickly stabilized, and the throughput can be improved.

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Description

明 細 書 ' 熱処理装置及び熱処理方法 技術分野
本発明は、 半導体ウェハ等の基板に対して熱処理を行う熱処理装置及び熱処理 方法に関する。
背景技術
半導体デバイスの製造工程において用いられる、 多数枚の半導体ウェハ （以下 ウェハという） に対して例えば C V D (chemical vapor deposition) による成膜 処理や酸化、 拡散処理といった熱処理を一括して行う縦型熱処理装置がある。 こ の装置はウェハボートと呼ばれる保持具に多数枚のウェハを棚状に保持させ、 そ の後例えば縦型の熱処理炉内に前記保持具を例えば下方側から搬入し、 処理雰囲 気を所定の温度の加熱雰囲気にして、 熱処理を行うものである。 一般に熱処理炉 は、 被加熱ゾーンを上下に複数に分割し、 各ゾーン毎に温度制御することができ るように、 複数の加熱手段及び各々に対応する温度制御手段を備えた構成とされ ている。
ところで本発明者は、 加熱手段としてカーボンワイヤヒー夕を使用した図 8に 示すような縦型熱処理装置を検討している。 図 8中、 符号 1 0 1は下方側が開口 する反応容器であり、 その周囲には例えば上下 3段に分割されたヒー夕 2 0 0が 設けられている。 ヒー夕 2 0 0は、 熱処理領域の大部分を加熱するメインヒー夕 2 0 2と、 その上下に設けられるサブヒー夕 2 0 1 , 2 0 3とにより構成されて いる。 この装置は、 多数枚のウェハ Wを棚状に保持するウェハボート 1 0 3が、 開口部 1 0 2を介して反応管 1 0 1内に搬入されると、 該ウェハボート 1 0 3の 下端に設けられる蓋体 1 0 4が開口部 1 0 2を塞ぎ、 反応管 1 0 1内を所定温度 に加熱して所定の熱処理が行われる。
また、 各ヒー夕 2 0 0が受け持つ熱処理雰囲気の温度を夫々検出するように、 反応管 1 0 1の内側には内部熱電対 3 0 0 ( 3 0 1〜3 0 3 ) が、 また各ヒー夕 2 0◦の近傍部位には外部熱電対 4 0 0 ( 4 0 1〜 4 0 3 ) が夫々設けられてお り、 各熱電対 3 0 0、 4 0 0から得られる温度検出値を各ヒー夕 2 0 0 ( 2 0 1 〜2 0 3 ) 毎に設けられる制御部 5 0 0 ( 5 0 1〜 5 0 3 ) へ取り込むように構 成されている。 即ち、 制御部 5 0 0 ( 5 0 1〜 5 0 3 ) は前記温度検出値と各段 毎に設定される温度目標値とに基づいて、 対応するヒ一夕 2 0 0 ( 2 0 1〜2 0 3 ) 毎に別個の発熱量制御を行うことが可能となっている。
ところで、 ウェハボート 1 0 3の搬入時において下部側のサブヒー夕 2 0 3近 傍は、 開口部 1 0 2を介して反応管 1 0 1内へ流入する外部雰囲気の影響を受け、 メインヒー夕 2 0 2近傍に比べて温度が低くなつている。 このような状況下で開 口部 1 0 2から冷えた （反応管 1 0 1内の雰囲気よりも温度の低い） ウェハ W及 びウェハボート 1 0 3が搬入されると、 先ずサブヒータ 2 0 3近傍の温度が更に 低下し、 そしてウェハボート 1 0 3が上昇するにつれてメインヒ一夕 2 0 2近傍 及び上部側のサブヒー夕 2 0 1近傍も影響を受けて温度が低下する。
従ってヒータ 2 0 0近傍の温度は上部側ほど高くなり、 またウェハ W及びゥェ ハボート 1 0 3の温度はその位置が上昇するにつれてヒ一夕 2 0 0により温めら れて除々に高くなつていくので、 ヒータ 2 0 0近傍における上下方向の温度分布 はウェハボート 1 0 3の位置に応じて刻一刻と変化することとなる。 このため下 端部側のサブヒー夕 2 0 3近傍の温度がウェハボート 1 0 3の搬入により急激に 低下するので制御部 5 0 3はサブヒー夕 2 0 3への投入電力を大きくするように 作用する。 これに対してメインヒ一夕 2 0 2近傍の温度はウェハボート 1 0 3の 投入により低下するがその程度はサブヒー夕 2 0 3近傍よりも少ないので制御部 5 0 2による電力の投入量はそれほど大きくない。 このようにメインヒー夕 2 0 2の温度制御とサブヒ一夕 2 0 3の温度制御とが互いに異なったものとなり、 し かもヒー夕 2 0 0近傍における上下方向の温度分布の変化に応じてその異なり方 も変化し、 更に双方のゾーンの温度変化が互いに影響し合うこととなる。
このような温度制御状態が異なる現象は、 上端部側のサブヒー夕 2 0 1とメイ ンヒ一夕 2 0 2との間でも起こり、 この結果ウェハボート 1 0 3の搬入 （ローデ ィング） 終了後における各ヒ一夕 2 0 0近傍の温度の安定化に時間が掛かってし まうという問題が生じていた。 ウェハボート 1 0 3の搬入後、 通常反応管 1 0 1 内部を所定のプロセス温度まで昇温するが、 昇温前に反応管 1 0 1内の温度が安 定していないと昇温後の温度の安定化に時間がかかってしまうため、 結局スルー プットが低下することとなってしまう。
発明の開示
本発明はこのような事情に基づいてなされたものであり、 その目的は、 複数ゾ ーンに分割された熱処理雰囲気内で基板の処理を行うにあたり、 各ゾーン毎の温 度を速やかに安定させることができ、 スル一プヅトの向上を図ることができる技 術を提供することにある。
本発明は、 複数のゾーンに分割された反応容器と、 複数の基板を支持するとと もに反応容器内に搬入される基板保持具と、 各ゾーン毎に設けられた加熱手段と、 各ゾーン毎に設けられた温度検出部と、 各ゾーン毎に設けられ、 各加熱手段を独 立して制御する制御部と、 を備え、 一のゾーンに対応する制御部は、 前記基板の 搬入時には、 当該一のゾーンに対応する温度検出部の温度検出値に基づいて、 他 のゾーンに対応する温度検出部の温度検出値を温度目標値として演算を行い、 そ の演算結果を加熱手段の制御信号として出力する第 1の演算部を有することを特 徴とする熱処理装置である。
本発明は、 温度検出部は、 加熱手段近傍の温度を検出する第 1の温度検出部を 含み、 前記他のゾーンに対応する温度検出部の温度検出値は第 1の温度検出部の 温度検出値であることを特徴とする熱処理装置である。
本発明は、 温度検出部は、 反応容器内の温度を検出する第 2の温度検出部を含 み、 前記他のゾーンに対応する温度検出部の温度検出値は第 2の温度検出部の温 度検出値であることを特徴とする熱処理装置である。
本発明は、 一のゾーンに対応する制御部は、 基板を熱処理するときには、 当該 一のゾーンに設定された温度目標値と当該一のゾーンに対応する温度検出部の温 度検出値とに基づいて演算を行い、 その演算結果を加熱手段の制御信号として出 力する第 2の演算部を更に有することを特徴とする熱処理装置である。
本発明は、 温度検出部は加熱手段近傍の温度を検出する第 1の温度検出部と、 反応容器内の温度を検出する第 2の温度検出部とを有し、 一のゾーンに対応する 制御部の第 1演算部は、 基板の搬入時には、 他のゾーンに対応する第 1の温度検 出部または第 2の温度検出部の温度検出値を温度目標値として演算を行い、 その 演算結果を加熱手段の制御信号として出力し、 一のゾーンに対応する制御部は、 基板を熱処理するときには、 当該一のゾーンに設定された温度目標値と当該ゾ一 ンに対応する第 1の温度検出部及び第 2の温度検出部の各温度検出値とに基づい て演算を行い、 その演算結果を加熱手段の制御信号として出力する第 2の演算部 を更に有することを特徴とする熱処理装置である。
本発明は、 一のゾーンに対応する制御部の第 1の演算部は、 他のゾーンに対応 する温度検出部の温度検出値に補正値を加算した値と当該一のゾーンに対応する 温度検出部の温度検出値との偏差分に基づいて演算を行い、 その演算結果を加熱 手段の制御信号として出力することを特徴とする熱処理装置である。
本発明は、 一のゾーンに対応する制御部の第 1の演算部は、 基板を熱処理する ときに一のゾーンに設定された温度目標値と他のゾーンに対応する温度目標値と の差分を補正値として用いることを特徴とする熱処理装置である。
本発明は、 一のゾーンに対応する制御部の第 1の演算部は、 前記偏差分に所定 の割合を掛けた値に基づいて演算を行うことを特徴とする熱処理装置である。 本発明は、 反応容器は縦型に構成されると共に、 基板保持具は反応容器の下方 側から搬入され、 反応容器内は上下方向に少なくとも 3段に分割され、 前記一の ゾーンは最下段ゾーンであり、 前記他のゾーンは、 最上段以外のゾーンであるこ とを特徴とする熱処理装置である。
本発明は、 複数のゾーンに分割された反応容器内に複数の基板を支持する基板 保持具を搬入し、 前記複数のゾーンに夫々対応する加熱手段により各ゾーンを加 熱する熱処理方法において、 各ゾーンに対応する温度を検出する工程と、 温度目 標値と各ゾーン毎の温度検出値とに基づき各加熱手段を制御する工程とを備え、 前記基板保持具の搬入時には、 一のゾーンにおける温度目標値として他のゾーン に対応する温度検出値を用いて加熱手段を制御することを特徴とする熱処理方法 であ 。
本発明は、 前記基板保持具の搬入時において、 一のゾーンにおける温度目標値 は、 他のゾーンに対応する温度検出値に補正値を加算した値からなることを特徴 とする熱処理方法である。
本発明は、 前記基板保持具の搬入時において、 基板を熱処理するときの一のゾ —ンに設定された温度目標値と他のゾーンに対応する温度目標値との差分を補正 値として用いることを特徴とする熱処理方法である。
本発明は、 前記基板保持具の搬入時において、 前記一のゾーンに対応する加熱 手段を制御する際、 当該ゾーンの温度検出値と、 他のゾーンに対応する温度検出 値から求まる温度目標値または温度目標値に補正値を加算した値との偏差分に所 定の割合を掛けた値に基づいて演算を行うことを特徴とする熱処理方法である。 本発明によれば、 基板を反応容器内に搬入するときに、 一のゾーンの温度制御 が他のゾーンの温度制御に追従するため、 基板を搬入した後、 速やかに反応容器 内の温度が安定する。 例えばその後反応容器内の温度をプロセス温度まで昇温す ると、 速やかにプロセス温度に安定する。 なお本発明は、 基板搬入時の各ゾーン の温度とプロセス時の各ゾーンの温度とが同じ場合も適用できる。
図面の簡単な説明
図 1は本発明に係る熱処理装置の実施の形態を示す縦断面図である。
図 2は本実施の形態にて使用される制御部及びその関連部位を示すブロック図 である。
図 3は前記制御部内に設けられる第 1の演算部の内部構成を示すプロック図で ある。
図 4は前記制御部内に設けられる第 2の演算部の内部構成を示すプロック図で あ ο
図 5は本実施の形態における温度の経時変化と使用する演算部との関係を示す 作用説明図である。
図 6は前記第 1の演算部における作用を説明するための作用説明図である。 図 7はウェハボート搬入時の各外部熱電対における温度変化の様子を示す特性 図である。
図 8は従来の熱処理装置の全体構造を示す縦断面図である。
発明を実施するための最良の形態
図 1は本発明を縦型熱処理装置に適用した実施の形態の全体構成図である。 先 ずこの縦型熱処理装置の全体構成について簡単に述べておくと、 この装置は、 例 えば両端が開口している内管 1 a及び上端が閉塞している外管 1 bからなる例え ば石英製の二重構造の反応管 1を備えている。 反応管 1内は上下方向に 3つのゾ —ン Ζ Ζ 2、 Ζ 3に区画されている。 反応管 1の周囲には筒状の断熱体 2 1がべ —ス体 2 2に固定して設けられ、 この断熱体 2 1の内側には加熱手段である例え ば抵抗発熱体からなるヒー夕 3及び天井ヒー夕 3 1が設けられている。 ヒータ 3 は例えば上下に 3段分割 （3 a , 3 b , 3 c ) して断熱体 2 1の側壁に設けられ、 天井ヒー夕 3 1は天井部に設けられている。 そしてヒ一夕 3 aはゾーン Z iに、 ヒ 一夕 3 bはゾーン Z 2に、 ヒータ 3 cはゾーン Z 3に各々対応して設けられている。 ヒ一夕 3 ( 3 a〜3 c ) のうち中段ゾーン Z 2のヒ一夕 3 bは、 図 1に示すよう に反応管 1内の大部分の熱処理雰囲気を形成するいわばメィンヒ一夕であり、 そ の上下に配置されるヒー夕 3 a及び 3 cは、 夫々反応管 1の上端部及び下端部の 熱処理雰囲気を形成するメインヒー夕 3 bよりも小型のいわばサブヒー夕である。 ヒ一夕 3の素材としては、 例えば線径 1 0ミクロン前後の高純度のカーポンファ ィバの束を複数用いて編み込むことにより形成されたカーボンワイヤをセラミ ヅ クス、 例えば外径が十数ミリの透明な石英管の中に封止したものを用いることが できる。 なおヒー夕 3はこれに限定されるものではなく例えば鉄一タンタル一力 一ボン合金などの金属体であってもよい。
内管 1 a及び外管 1 bは下部側にて筒状のマ二ホールド 2 3の上に支持され、 このマ二ホールド 2 3には、 内管 1 aの内側の下部領域に供給口が開口するよう にガス供給管 2 4が設けられると共に、 内管 1 aと外管 1 bとの間から排気する ように図示しない真空ポンプに一端側が接続された排気管 2 5が接続されている。 この例では内管 1 a、 外管 1 b及びマ二ホールド 2 3により反応容器が構成され る o
更にマ二ホールド 2 3の下端開口部を塞ぐように蓋体 1 1が設けられており、 この蓋体 1 1はボートエレべ一夕 1 2の上に設けられている。 蓋体 1 1の上には 保温ュニヅト 1 3と、 ボートエレべ一夕 1 2に設けられる駆動部 1 4と接続し、 保温ュニット 1 3内部を貫通して設けられる回転軸 1 5と、 この回転軸 1 5によ りその下端を回転自在に保持される基板保持具をなすウェハボート 1 6とが設け られている。 ウェハボート 1 6は多数の基板であるウェハ Wを棚状に保持できる 構成とされており、 また保温ュニヅト 1 3は石英フィンなどの断熱ュニット 1 3 a及び発熱体ュニット 13 b等を組み合わせた構成とされている。
内管 1 1 a内には、 熱電対用の細い石英管 40が設けられており、 この石英管 40内には、 例えば 3段に分割された各ヒ一夕 3 (3 a, 3b, 3 c) が受け持 つゾーン Zi、 Z2、 Z 3の温度を夫々検出するように各ゾーン Zi〜Z 3毎に内部温 度検出部である 3個の内部熱電対 （第 2の温度検出部） 4 (4a, 4b, 4 c) が設けられている。 また、 ヒー夕 3 (3 a, 3b, 3 c) の近傍には、 ヒー夕 3 (3 a, 3b, 3 c) の温度を夫々検出する外部温度検出部である外部熱電対 (第 1の温度検出部） 5 (5 a, 5b, 5 c) が各ゾ一ン Z i〜Z3毎に設けられ ている。
そして、 各段のゾーン Z !〜Z3のヒー夕 3 (3 a, 3 b, 3 c) に対応して、 電力を供給する電力供給部 20 (20 a, 20 b, 20 c ) 、 及び夫々の電力供 給部 20 (20 a, 20b, 20 c) の供給電力を制御して各ヒ一夕 3 (3 a， 3b， 3 c) の発熱量を制御するための制御部 6， 7, 8が設けられている。 詳 細は後述するが関連部位の配線構成について簡単に説明しておくと、 内部熱電対 4 (4a, 4b， 4 c) 及び外部熱電対 5 (5 a, 5 b, 5 c) は各々が対応す る各段のゾーン Zi〜Z 3の制御部 6, 7, 8のいずれかへと接続され、 ヒー夕 3. bが受け持つ中段ゾーン Z2に設けられた外部熱電対 5 bから延びる信号線は、 途 中で分岐して制御部 7のみならず制御部 6及び 8へも接続される。 また断熱体 2 1の天井部に設けた天井ヒー夕 31においても、 ヒ一夕 3 (3 a, 3 b, 3 c) と同様に熱電対 32が設けられており、 制御部 33から電力供給部 34を介して ヒー夕 31に対する給電量をコントロールすることで、 発熱量の調節を行う構成 とされている。
ヒー夕 3 (3 a, 3b, 3 c) 及びこれに接続する制御部 6, 7, 8において、 上記のような配線構造としている理由は、 ヒー夕 3を各段のゾーン Zi〜Z 3毎に 別個に制御する場合と、 メインヒー夕をなすヒ一夕 3 bに対応する外部熱電対 5 bの温度検出値を他の部位で利用して、 ヒー夕 3 a及び 3 cではいわゆる追従制 御を行う場合とで切り替える運用を可能とするためである。 以下図 2を参照しな がら本実施の形態の要部をなすヒー夕 3の制御系の構成について説明を行う。 先ず制御部 6， 8は上述したように 2つの演算方法を使い分ける必要がある。 このため制御部 6は第 1の演算部 61と第 2の演算部 62とを有し、 制御部 8は 第 1の演算部 81と第 2の演算部 82とを有している。 演算方法を切り替える必 要のない制御部.7は第 2の演算部 72のみを有している （71は便宜的に欠番と する） 。 即ち、 制御部 6， 8の第 1の演算部 61, 81は、 制御部 6， 8が制御 部 7に追従 （正確には制御部 7が受け持つゾーン Z 2から得られる温度検出値に追 従） する演算を行う際に使用されるものである。 このため、 上述した外部熱電対 5 bから延びる信号線は、 制御部 6では第 1の演算部 6 1へ、 制御部 8では第 1 の演算部 81へと夫々接続される。
一方、 第 2の演算部 62， 72, 82は、 対応するゾーン Z !〜 Z 3毎に設けら れた内部熱電対 4 (4a, 4b, 4 c) 及び外部熱電対 5 (5 a, 5b, 5 c) から得られる温度検出値と、 夫々別個に各ゾーン Zi〜Z 3専用に設定される温度 目標値とに基づいて演算が行われるため、 第 2の演算部 62 (72, 82) には 内部熱電対 4 a (4 b, 4 c) 、 外部熱電対 5 a (5 b， 5 c) 及び目標値出力 部 63 (73, 83) が接続される。 そして第 1の演算部 6 1， 81または第 2 の演算部 62, 72, 82にて出力される演算結果は、 制御信号として電力供給 部 20 (20 a, 20b, 20 c) へと出力される構成とされている。 また制御 部 6 (8) では切り替え部 64 (84) により第 1の演算部 61 (81) または 第 2の演算部 62 (82) のいずれを使用するか選択できるようになつている。 ここで第 1の演算部 61, 81の構成を説明するが、 これらは同一の構造を有 しているため、 第 1の演算部 81を例にとって図 3を参照しながら説明する。 図 3中符号 81 1は比較演算部、 符号 812は補正値出力部であり、 比較演算部 8 11では、 中段ゾーン Z2に設けられた外部熱電対 5bの温度検出値を温度目標値 とし、 この温度目標値に対して補正値出力部 812から出力される補正値を加算 し、 更に下段のゾーン Z3に設けられた外部熱電対 5 cの温度検出値を差し引く。 前記補正値は中段ゾーン Z 2及び下段ゾーン Z 3におけるプロセス時の目標温度の 差を補正するためのいわば静的な補正要素である。 具体的にはこの補正値は例え ば後述する第 2の演算部 72, 82にて用いる目標値出力部 73, 83から出力 される双方の温度目標値の差分値として求められる。
比較演算部 811の出力側には、 その出力値 （偏差分） q 1に対して所定の係 数 kを乗じる乗算部 8 1 3が設けられる。 既述のように制御部 8が対応する下段 ゾーン Z 3は反応管 1 aの下方側開口部に最も近く、 ウェハボート 1 6と共に流入 してくる冷たい空気の影響を受けやすいため、 中段ゾーン Z 2に比して昇温に要す る加熱出力が多くなる。 このようなことを考慮し、 乗算部 8 1 3では比較演算部 8 1 1からの出力の増加分を出力値に反映するために上記のように出力値 q 1に 対して所定の係数 kを乗じるよういわゆる動的な補正を行なう。 乗算部 8 1 3に おいては、 係数 kの値は例えば 1 . 2 (冷気の影響が小さい上段ゾーン Z iに対応 する第 1の演算部 6 1では例えば 0 . 8 ) が用いられる。 この出力値に対しては 積分要素 I 1、 比例要素 P 1、 微分要素 D 1についての各種演算 （P I D演算） が行われ、 混合部 8 1 4を介して前記偏差分 q 1に応じた電力供給を行うための 出力値 B 1が出力される。
次に第 2の演算部 6 2， 7 2 , 8 2の構成を説明するが、 上述した第 1の演算 部の場合と同様にいずれも同一の構造を有しているため、 第 2の演算部 8 2を例 にとつて図 4を参照しながら説明する。 この第 2の演算部 8 2は、 内部熱電対 4 cにおける温度検出値をメジャ一ループに組み込み、 外部熱電対 5 cの温度検出 値をマイナーループに組み込んだカスケ一ド制御を行って制御信号 B 2を得るも のであり、 符号 8 2 1〜 8 2 4は比較演算部、 I 1は積分要素、 P 2は比例要素、. D 2は積分要素を示す。
ところで、 これまで説明してきた制御部 6は、 実際には C P U、 プログラムを 格納した R 0 M及び温度設定値を記録したメモリなどにより構成され、 または各 演算プログラムによりソフト的に行われるものであるが、 本実施の形態ではこの ような演算をハード構成で行ってもよい。 また切り替え部 8 4 ( 6 4 ) における 第 1の演算部 8 1 ( 6 1 ) から第 2の演算部 8 2 ( 6 2 ) への切り替えの夕イミ ングは、 例えばウェハボート 1 6を搬入した後昇温前に反応容器内の温度が安定 したことを検出したとき、 或いはウェハボート 1 6を搬入した後所定時間が経過 した後などとすることができ、 その逆の切り替えのタイミング例えばプロセス後 に反応容器内が所定の温度に降温したときなどとすることができる。
次に上述した実施の形態の作用について説明する。
上記の装置におけるウェハ Wに対する加熱は、 該反応管 1の側方側に設けられ るヒー夕 3と上部側に設けられる天井ヒ一夕 3 1とで行われる。 本実施の形態に おける要部は分割して設けられるヒー夕 3 ( 3 a , 3 b , 3 c ) の制御方式にあ ることから、 この点に着目しながら図 5も参照して説明を行う。 先ず基板である ウェハ Wを棚状に搭載したウェハボート 1 6は、 図 5の t 1時点においてボート エレべ一夕 1 2を上昇させることで反応容器 （反応管 1及びマ二ホールド 2 3 ) 内へと搬入され始める。 このとき反応管 1内は既に所定の温度例えば 6 0 0 °C程 度となるように加熱されており、 上下段ゾーン Z l 5 Z 3に対応する制御部 6 , 8 では、 既述のように中段ゾーン Z 2の温度制御に追従するように切り替え部 6 4， 8 4にて第 1の演算部 6 1， 8 1が選択されている。
先ずウェハボート 1 6の上端部が反応容器内に進入し始めると、 ウェハボート 1 6及びウェハ Wはそれまで反応容器の外に位置していたので冷えており、 この ためサブヒー夕 3 cの受け持ち範囲である反応容器の下段ゾーン Z 3の温度が一旦 低くなる。 またメインヒー夕 3 bの受け持ち範囲である中段ゾーン Z 2の温度も冷 たいウェハボート 1 6の影響を受けて低くなるが、 中段ゾーン Z 2の温度低下は下 段ゾーン Z 3の温度低下よりも程度は小さい。 そして、 ウェハボート 1 6が中段ゾ ーン Z 2に到達すると、 この中段ゾーン Z 2の温度も低下する。 このときウェハボ —ト 1 6及びウェハ Wは反応容器内を上昇するにつれて除々に温められていくた め、 中段ゾーン Z 2はウェハボート 1 6の搬入前の温度よりも低くなるが、 下段ゾ ーン Z 3程低くならない。
こうしてウェハボート 1 6が反応容器内に搬入されると、 下段ゾーン Z 3が一番 冷やされ、 中段ゾーン Z 2も冷やされ、 上段ゾーン がわずかに冷却されること になる。 下段ゾーン Z 3に対応する制御部 8では外部熱電対 5 cの温度が低くなる のでサブヒー夕 3 cへの供給電力を急激に大きくしょうとするが、 温度目標値で ある中段ゾーン Z 2の温度検出値も低下するのでこの低下に応じてサブヒ一夕 3 c への電力供給量の増加が少し抑えられる。 その後は中段ゾーン Z 2の温度検出値の 上昇に伴い、 下段のサブヒー夕 3 cの温度が高くなつていく。 そして中段ゾーン Z 2では外部熱電対 5 bの温度が温度目標値を越えてオーバシュートした状態とな り、 以後は外部熱電対 5 bの温度が温度目標値に向かって低下する。 中段ゾーン Z 2のこのような温度の動きに追従して下段ゾーン Z 3のサブヒータ 3 cへの電力 供給量が制御され、 サブヒー夕 3 cの温度が中段ゾーン Z 2のサブヒ一夕 3 bの温 度の収束に合わせて温度目標値に収束していく。
また上段ゾーン Z tのサブヒー夕 3 aにおいても中段ゾーン Z 2のメインヒー夕 3 bの温度の動きに追従して電力供給量が制御され、 サブヒー夕 3 aの温度が中 段ゾーン Z 2のメインヒ一夕 3 bの温度の収束に合わせて温度目標値に収束してい く。 なおサブヒー夕 3 c ( 3 a ) が収束する温度は、 図 3で示したように中段ゾ —ン Z 2の温度検出値に補正値を加算する演算を行っているので、 例えば熱処理時
(プロセス時） に中段ゾーン Z 2よりも下段ゾーン Z 3の温度目標値が例えば 1 0 °C高ければ、 下段ゾーン Z 3のサブヒ一夕 3 cが収束する温度は、 メインヒ一夕 3 bの温度よりも 1 0 °C高い値となる。
そして t 2時点にてウェハボート 1 6の搬入が完了し、 t 3時点まで反応容器 内の各ゾーンの温度が安定すると、 制御部 6， 8は第 1の演算部 6 1 , 8 1から 第 2の演算部 6 2 , 8 2に切り替えてヒー夕 3 a , 3 cの電力を制御を行なう。 次に t 3時点から昇温を開始し、 所定のプロセス温度まで加熱した後、 t 4時点
(詳しくは各ゾーンがプロセス温度に安定した後） においてウェハ Wに対して熱 処理を行う。 この熱処理の一例としては、 例えば反応容器内を 8 0 0 °C程度に維 持し、 所定の成膜ガスをガス供給管 2 3から反応容器内に供給すると共に排気管 2 5から真空排気して所定の真空度に維持し、 ウェハ Wに対して成莫処理を行う プロセスを挙げることができる。 なお第 1の演算部 6 1， 8 1から第 2の演算部
6 2 , 8 2への切り替えは、 昇温途中あるいはプロセス温度に安定したときであ つてもよい。 t 5時点においてウェハ W表面に所定の成膜が形成されると、 例え ば搬入時の温度である 6 0 0 °C程度まで降温した後、 例えば t 6時点において搬 入時とは逆の手順でウェハボート 1 6の搬出が行われる。
これまで述べてきたように、 上述実施の形態によれば複数分割して設けられる ヒー夕 3 ( 3 a， 3 b , 3 c ) の温度制御において、 上下段ゾーン Z l 5 Z 3の加 熱制御を受け持つ制御部 6， 8は、 ウェハ Wの搬入時に中段ゾーン Z 2の温度検出 値を温度目標値としてこれと自己のゾーン Z i， Z 3の温度検出値とに基づいて温 度制御を行っている。 このため、 各ゾーン Z i〜Z 3の温度が速やかに温度目標値 に安定する。 例えば下段ゾーン Z 3のサブヒ一夕 3 c近傍については、 ウェハボー ト 1 6の搬入により温度が低下するが、 温度目標値である中段ゾーン Z 2のメイン ヒ一夕 3 b近傍の温度も低下するため、 温度目標値と温度検出値との偏差分が小 さくなり、 サブヒー夕 3 cの発熱量の増加を緩やかに抑えることができる。 そし てサブヒー夕 3 c近傍の温度は本来の温度目標値を越えてオーバシユートし、 今 度はサブヒー夕 3 cの発熱量が小さくなろうとする （温度が低くなろうとする） が、 サブヒ一夕 3 cの発熱量はメインヒ一夕 3 b近傍の温度に追従するので、 従 来のように温度目標値が一定だった場合に比べて温度の低下を緩やかに行なうこ とができる。 この結果、 温度の上下の振れが抑えられて温度目標値に速やかにソ フトランディングする。 また上段ゾーン のサブヒ一夕 3 a近傍の温度について もメインヒ一夕 3 b近傍の温度に追従するので、 温度が温度目標値に速やかに安 定する。
更に冷たいウェハボート 1 6及びウェハ Wが反応容器内に搬入されるときに、 各ゾーン Z i〜Z 3の温度がウェハゾーン 1 6及びウェハ Wから影響を受ける度合 いに応じて制御部 6 , 8の第 1の演算部 6 1， 8 1の中に、 中段ゾーン Z 2におけ る制御部 7に対する追従割合を組み込んでいる。 例えば上述の例では、 上段のゾ —ン が受ける影響の度合いは中段のゾーン Z 2が受ける影響の度合いよりも小 さく、 また下段のゾーン Z 3が受ける影響の度合いは中段のゾーン Z 2が受ける影 響の度合いよりも大きいことから、 上段ゾーン Z iにおける制御部 6の追従割合は 0 . 8、 下段ゾーン Z 3における制御部 8の追従割合は 1 . 2に夫々設定している c 図 6は、 中段ゾーン Z 2の外部熱電対 5 bの温度検出値の変化と、 追従割合を 5 %、 3 0 %、 1 0 0 %に変えたときの上段ゾーン の各温度検出値とを示したもので あり、 この から分かるように、 上段ゾーン の外部熱電対 5 aの温度検出値の 変化幅は追従割合が大きくなれば増加し、 追従割合が小さくなれば減少する。 従 つて上述の実施の形態のようにメインヒー夕 3 bに対するサブヒ一夕 3 a， 3 c の温度制御の追従する割合を調整しておくことにより、 ウェハボート 1 6の搬入 時の反応容器内の温度分布に見合った温度制御を上段ゾーン Z L、 下段ゾーン Z 3 の夫々で行なうことができ、 この点からも各ゾーンの温度が温度目標値に速やか に安定する。 さらにウェハボート 1 6の搬入後の各ゾーンの温度安定時間がスル ープットを大きく左右することから、 この実施の形態ではスループットを向上さ せることができる。
図 7は、 図 1に示す縦型熱処理装置において、 ウェハボート 1 6が反応容器内 に搬入される前のサブヒー夕 3 a近傍、 メインヒー夕 3 b近傍、 サブヒ一夕 3 c 近傍の温度が夫々 5 7 5 °C、 5 7 3 °C 5 6 0 °Cに安定している状態からウェハ ボート 1 6の搬入を行ったときの各ヒータ 3 a〜3 c近傍の温度の経時変化をシ ユミレーシヨンした結果を示すものである。 ウェハポート 1 6の搬入を開始して から各ヒ一夕 3 a〜3 c近傍の温度が安定化するまでの時間はおよそ 1 3分間で あり、 ウェハ Wの搬入時に各ゾーンの温度が短時間で安定することが分かる。 なお、 第 1の演算部 6 1 , 8 1の説明において、 上下段の各ゾーン Z i， Z 3に おける中段ゾーンとの追従割合を求める演算方法として、 予め定めた係数 kを掛 け合わせる手法を記載したが、 ウェハボート 1 6の上昇時において、 当該ウェハ ボート 1 6の位置に応じて kを変化させるようにしてもよい。 また本実施の形態 では、 ウェハ Wの搬入時に各制御部 6 , 7 , 8に夫々対応する内部熱電対 4 a〜 4 cの温度検出値を取り込み、 制御部 6 , 8においては中段ゾーン Z 2の内部熱電 対 4 bの温度検出値を温度目標値として夫々内部熱電対 4 a , 4 cの温度検出値 と比較し、 その偏差分に応じてサブヒー夕 3 a , 3 cの温度制御を行うと共に、 制御部 Ίにおいては専用の温度目標値と内部熱電対 4 bの温度検出値との偏差分 に応じてメインヒー夕 3 bを制御するようにしてもよい。 更にまた本実施の形態 は、 下段ゾーン Z 3のサブヒ一夕 3 cについてのみ、 中段ゾーン Z 2に対応する温 度検出値を温度目標値とする追従制御を行うようにしてもよい。
以上のように本発明によれば、 複数ゾーンに分割された熱処理雰囲気内で基板 の処理を行うにあたり、 各ゾーン毎の温度を速やかに安定させることができ、 ス ループヅトの向上を図ることができる。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 複数のゾーンに分割された反応容器と、
複数の基板を支持するとともに反応容器内に搬入される基板保持具と、 各ゾーン毎に設けられた加熱手段と、
各ゾーン毎に設けられた温度検出部と、
各ゾーン毎に設けられ、 各加熱手段を独立して制御する制御部と、 を備え、 一のゾーンに対応する制御部は、 前記基板の搬入時には、 当該一のゾーンに対 応する温度検出部の温度検出値に基づいて、 他のゾーンに対応する温度検出部の 温度検出値を温度目標値として演算を行い、 その演算結果を加熱手段の制御信号 として出力する第 1の演算部を有することを特徴とする熱処理装置。
2 . 温度検出部は、 加熱手段近傍の温度を検出する第 1の温度検出部を含み、 前記他のゾーンに対応する温度検出部の温度検出値は第 1の温度検出部の温度検 出値であることを特徴とする請求項 1記載の熱処理装置。
3 . 温度検出部は、 反応容器内の温度を検出する第 2の温度検出部を含み、 前記他のゾーンに対応する温度検出部の温度検出値は第 2の温度検出部の温度検 出値であることを特徴とする請求項 1記載の熱処理装置。
4 . 一のゾーンに対応する制御部は、
基板を熱処理するときには、 当該一のゾーンに設定された温度目標値と当該一 のゾーンに対応する温度検出部の温度検出値とに基づいて演算を行い、 その演算 結果を加熱手段の制御信号として出力する第 2の演算部を更に有することを特徴 とする請求項 1記載の熱処理装置。
5 . 温度検出部は加熱手段近傍の温度を検出する第 1の温度検出部と、 反応 容器内の温度を検出する第 2の温度検出部とを有し、
一のゾーンに対応する制御部の第 1演算部は、 基板の搬入時には、 他のゾーン に対応する第 1の温度検出部または第 2の温度検出部の温度検出値を温度目標値 として演算を行い、 その演算結果を加熱手段の制御信号として出力し、
一のゾーンに対応する制御部は、 基板を熱処理するときには、 当該一のゾーン に設定された温度目標値と当該ゾーンに対応する第 1の温度検出部及び第 2の温 度検出部の各温度検出値とに基づいて演算を行い、 その演算結果を加熱手段の制 御信号として出力する第 2の演算部を更に有することを特徴とする請求項 1記載 の熱処理装置。
6 . 一のゾーンに対応する制御部の第 1の演算部は、 他のゾーンに対応する 温度検出部の温度検出値に補正値を加算した値と当該一のゾーンに対応する温度 検出部の温度検出値との偏差分に基づいて演算を行い、 その演算結果を加熱手段 の制御信号として出力することを特徴とする請求項 1記載の熱処理装置。
7 . 一のゾーンに対応する制御部の第 1の演算部は、 基板を熱処理するとき に一のゾーンに設定された温度目標値と他のゾーンに対応する温度目標値との差 分を補正値として用いることを特徴とする請求項 6記載の熱処理装置。
8 . —のゾーンに対応する制御部の第 1の演算部は、 前記偏差分に所定の割 合を掛けた値に基づいて演算を行うことを特徴とする請求項 6記載の熱処理装置 c
9 . 反応容器は縦型に構成されると共に、 基板保持具は反応容器の下方側か ら搬入され、
反応容器内は上下方向に少なくとも 3段に分割され、 前記一のゾーンは最下段 ゾーンであり、 前記他のゾーンは、 最上段以外のゾーンであることを特徴とする 請求項 1記載の熱処理装置。
1 0 . 複数のゾーンに分割された反応容器内に複数の基板を支持する基板保 持具を搬入し、 前記複数のゾーンに夫々対応する加熱手段により各ゾーンを加熱 する熱処理方法において、
各ゾーンに対応する温度を検出する工程と、
温度目標値と各ゾーン毎の温度検出値とに基づき各加熱手段を制御する工程と を備え、
前記基板保持具の搬入時には、 一のゾーンにおける温度目標値として他のゾ一 ンに対応する温度検出値を用いて加熱手段を制御することを特徴とする熱処理方 法。
1 1 . 前記基板保持具の搬入時において、 一のゾーンにおける温度目標値は、 他のゾーンに対応する温度検出値に補正値を加算した値からなることを特徴とす る請求項 1 0記載の熱処理方法。 '
1 2 . 前記基板保持具の搬入時において、 基板を熱処理するときの一のゾ一 ンに設定された温度目標値と他のゾーンに対応する温度目標値との差分を補正値 として用いることを特徴とする請求項 1 1記載の熱処理方法。
1 3 . 前記基板保持具の搬入時において、 前記一のゾーンに対応する加熱手 段を制御する際、 当該ゾーンの温度検出値と、 他のゾーンに対応する温度検出値 かち求まる温度目標値または温度目標値に補正値を加算した値との偏差分に所定 の割合を掛けた値に基づいて演算を行うことを特徴とする請求項 1 0記載の熱処 理方法。
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