WO2018100826A1 - 基板処理装置、半導体装置の製造方法及びプログラム - Google Patents

基板処理装置、半導体装置の製造方法及びプログラム Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a substrate processing apparatus, a semiconductor device manufacturing method, and a program.
  • a boat as a substrate holding unit that holds a plurality of substrates (hereinafter also referred to as wafers) in multiple stages is carried into a processing chamber in a reaction tube while holding the substrates, and temperature control is performed in a plurality of zones.
  • the substrate is processed at a predetermined temperature.
  • the heater is turned off when the temperature is lowered, but in recent years, the temperature lowering characteristics after the substrate processing has been positively improved.
  • Patent Document 1 discloses a technique for changing the flow of a cooling gas at the time of film formation, temperature drop, and temperature recovery by opening and closing an on-off valve.
  • Patent Document 2 describes a technique for setting the temperature drop rate of each part of the heater by changing the number and arrangement of the blowout holes.
  • the reaction tube cannot be uniformly cooled during the rapid cooling, so the temperature drop rate varies from zone to zone, and the temperature history between zones differs. There was a problem that it would occur.
  • JP 2014-209569 A International Patent Publication No. 2008/099449
  • the objective of this invention is providing the structure which improves the temperature deviation between zones.
  • a heater unit that heats a substrate placed on a boat, a temperature control unit that controls the heater unit to maintain a predetermined temperature, and a gas supplied toward a reaction tube
  • a valve control unit that adjusts the opening of a control valve that adjusts the flow rate of the substrate, a temperature raising step for raising the temperature to a predetermined temperature at a predetermined temperature raising rate, a processing step for processing a substrate at a predetermined temperature, from a predetermined temperature
  • a controller for instructing execution of a recipe including a temperature-decreasing step for lowering the temperature at a predetermined temperature-decreasing rate, and heating the heater unit and cooling by the gas supplied from the control valve in parallel with a predetermined temperature-raising rate and a predetermined temperature-decreasing temperature.
  • a configuration for following the rate is provided.
  • the temperature deviation between zones can be improved, and the temperature stability of the substrate can be improved.
  • FIG. 1 It is a partially cut front view which shows the substrate processing apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. It is front sectional drawing of the substrate processing apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. It is a figure which shows the flowchart which shows an example of the process regarding temperature among the film-forming processes which concern on embodiment of this invention. It is a figure which shows the temperature change in the furnace in the flowchart shown in FIG. It is a figure which shows the principal part of the substrate processing apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. It is a figure which shows the hardware constitutions of the computer in the substrate processing apparatus which concerns on embodiment of this invention. It is a figure explaining the relationship between a control valve and cooling capacity in the cooling unit which concerns on embodiment of this invention.
  • Example 1 of this invention it is the example of illustration which applied 3rd Embodiment to step S3. It is the figure which expanded A of FIG.
  • Example 1 of this invention it is the example of illustration which applied 3rd Embodiment to step S5.
  • Example 2 of this invention it is the example of illustration which applied 1st Embodiment and 2nd Embodiment to step S5.
  • Example 1 of this invention it is the example of illustration which applied 3rd Embodiment to step S2.
  • the substrate processing apparatus 10 is configured as a processing apparatus 10 that performs a film forming process in a method for manufacturing a semiconductor device.
  • a substrate processing apparatus 10 shown in FIG. 1 includes a process tube 11 as a supported vertical reaction tube, and the process tube 11 includes an outer tube 12 and an inner tube 13 arranged concentrically with each other.
  • the outer tube 12 is made of quartz (SiO 2) and is integrally formed in a cylindrical shape with the upper end closed and the lower end opened.
  • the inner tube 13 is formed in a cylindrical shape with both upper and lower ends opened.
  • a cylindrical hollow portion of the inner tube 13 forms a processing chamber 14 into which a boat to be described later is carried in, and a lower end opening of the inner tube 13 constitutes a furnace port 15 for taking in and out the boat.
  • the boat 31 is configured to hold a plurality of wafers in a long aligned state. Therefore, the inner diameter of the inner tube 13 is set to be larger than the maximum outer diameter (for example, a diameter of 300 mm) of the wafer 1 to be handled.
  • the lower end between the outer tube 12 and the inner tube 13 is hermetically sealed by a manifold 16 constructed in a substantially cylindrical shape.
  • the manifold 16 is detachably attached to the outer tube 12 and the inner tube 13, respectively. Since the manifold 16 is supported by the housing 2 of the CVD apparatus, the process tube 11 is vertically installed.
  • the outer tube 12 may be shown as the reaction tube 11 in the figure.
  • the exhaust passage 17 is configured by a gap between the outer tube 12 and the inner tube 13 in a circular ring shape with a constant cross-sectional shape.
  • one end of an exhaust pipe 18 is connected to the upper portion of the side wall of the manifold 16, and the exhaust pipe 18 communicates with the lowermost end portion of the exhaust path 17.
  • An exhaust device 19 controlled by a pressure controller 21 is connected to the other end of the exhaust pipe 18, and a pressure sensor 20 is connected to the exhaust pipe 18.
  • the pressure controller 21 is configured to feedback control the exhaust device 19 based on the measurement result from the pressure sensor 20.
  • a gas introduction pipe 22 is disposed below the manifold 16 so as to communicate with the furnace port 15 of the inner tube 13.
  • the gas introduction pipe 22 includes a raw material gas supply device and an inert gas supply device (hereinafter referred to as a gas supply device). 23) is connected.
  • the gas supply device 23 is configured to be controlled by a gas flow rate controller 24.
  • the gas introduced from the gas introduction pipe 22 into the furnace port 15 flows through the processing chamber 14 of the inner tube 13, passes through the exhaust passage 17, and is exhausted by the exhaust pipe 18.
  • a seal cap 25 that closes the lower end opening is in contact with the manifold 16 from the lower side in the vertical direction.
  • the seal cap 25 is constructed in a disk shape substantially equal to the outer diameter of the manifold 16, and is configured to be raised and lowered in the vertical direction by a boat elevator 26 installed in the standby chamber 3 of the housing 2.
  • the boat elevator 26 is configured by a motor-driven feed screw shaft device and a bellows, and the motor 27 of the boat elevator 26 is configured to be controlled by a drive controller 28.
  • a rotation shaft 30 is disposed on the center line of the seal cap 25 and is rotatably supported.
  • the rotation shaft 30 is configured to be rotationally driven by a rotation mechanism 29 as a motor controlled by a drive controller 28. Yes.
  • a boat 31 is vertically supported on the upper end of the rotating shaft 30.
  • the boat 31 is provided with a pair of upper and lower end plates 32 and 33 and three holding members 34 vertically installed between the end plates 32 and 33, and a plurality of holding grooves 35 are longitudinally formed in the three holding members 34. Engraved at equal intervals in the direction. The holding grooves 35 carved in the same step in the three holding members 34 are configured to open facing each other. The boat 31 inserts the wafers 1 between the holding grooves 35 of the same stage of the three holding members 34 so that the plurality of wafers 1 are held in a state of being aligned horizontally and aligned with each other. It has become.
  • a heat insulating cap portion 36 is disposed between the boat 31 and the rotating shaft 30.
  • the rotary shaft 30 is configured so that the lower end of the boat 31 is separated from the position of the furnace port 15 by an appropriate distance by supporting the boat 31 in a state where it is lifted from the upper surface of the seal cap 25.
  • the heat insulating cap part 36 insulates the vicinity of the furnace port 15.
  • the heater unit 40 as a vertically installed heating device is concentrically arranged outside the reaction tube 11 and is installed in a state supported by the casing 2.
  • the heater unit 40 includes a case 41.
  • the case 41 is made of stainless steel (SUS) and is formed in a cylindrical shape, preferably a cylindrical shape with the upper end closed and the lower end opened.
  • the inner diameter and the total length of the case 41 are set larger than the outer diameter and the total length of the outer tube 12.
  • the plurality of control zones are divided into seven control zones U1, U2, CU, C, CL, L1, and L2 with the upper end side of the heater unit 40 extending toward the lower end side.
  • a heat insulating structure 42 according to an embodiment of the present invention is installed in the case 41.
  • the heat insulating structure 42 according to the present embodiment is formed in a cylindrical shape, preferably a cylindrical shape, and the side wall 43 of the cylindrical body is formed in a multi-layer structure. That is, the heat insulating structure 42 includes a side wall outer layer 45 disposed on the outer side of the side wall portion 43 and a side wall inner layer 44 disposed on the inner side of the side wall portion, and between the side wall outer layer 45 and the side wall inner layer 44,
  • the partition part 105 which isolate
  • a check damper 104 as a back diffusion prevention unit is provided in each zone.
  • the cooling air 90 is configured to be supplied to the annular buffer 106 serving as a buffer section via the gas introduction path 107.
  • the back diffusion preventing body 104a serves as a lid so that the atmosphere of the internal space 75 does not flow backward. You may comprise so that the pressure which this back diffusion prevention body 104a opens may be changed according to a zone.
  • a heat insulating cloth 111 as a blanket is provided between the outer peripheral surface of the sidewall outer layer 45 and the inner peripheral surface of the case 41 so as to absorb the thermal expansion of the metal.
  • the cooling air 90 supplied to the buffer unit 106 flows through the gas supply passage 108 provided in the side wall inner layer 44 (not shown in FIG. 2), and serves as a part of the supply path including the gas supply passage 108.
  • the cooling air 90 is supplied to the internal space 75 from the opening hole 110.
  • a ceiling wall portion 80 as a ceiling portion is covered on the upper end side of the side wall portion 43 of the heat insulating structure 42 so as to close the inner space 75.
  • An exhaust hole 81 as a part of an exhaust path for exhausting the atmosphere of the inner space 75 is formed in the ceiling wall 80 in an annular shape, and a lower end that is an upstream end of the exhaust hole 81 communicates with the inner space 75. .
  • the downstream end of the exhaust hole 81 is connected to the exhaust duct 82.
  • the boat 31 holding the group of wafers is lifted by the boat elevator 26 by the seal cap 25 being lifted. It is carried into the processing chamber 14 of the inner tube 13 (boat loading).
  • the seal cap 25 that has reached the upper limit is pressed against the manifold 16 to seal the inside of the reaction tube 11.
  • the boat 31 is left in the processing chamber 14 while being supported by the seal cap 25.
  • the temperature controller 64 performs sequence control so that the inside of the reaction tube 11 is heated to the target temperature by the side wall heating element 56.
  • the error between the actual temperature rise inside the process tube 11 and the target temperature of the sequence control of the temperature controller 64 is corrected by feedback control based on the measurement result of the thermocouple 65. Further, the boat 31 is rotated by the motor 29.
  • the raw material gas is introduced from the gas introduction tube 22 into the processing chamber 14 of the reaction tube 11 by the gas supply device 23.
  • the raw material gas introduced by the gas introduction pipe 22 flows through the processing chamber 14 of the inner tube 13, passes through the exhaust passage 17, and is exhausted by the exhaust pipe 18.
  • a predetermined film is formed on the wafer 1 by a thermal CVD reaction caused by contact of the source gas with the wafer 1 heated to a predetermined processing temperature.
  • a purge gas such as nitrogen gas is introduced into the reaction tube 11 from the gas introduction tube 22.
  • the cooling air 90 as the cooling gas is supplied from the intake pipe 101 to the gas introduction path 107 through the back diffusion prevention body 104.
  • the supplied cooling air 90 is temporarily stored in an annular buffer 106 serving as an annular duct, and is blown out to the inner space 75 via a cooling gas passage 108 from a plurality of opening holes 110 serving as cooling gas supply ports.
  • the cooling air 90 blown out from the opening hole 110 into the inner space 75 is exhausted by the exhaust hole 81 and the exhaust duct 82.
  • the cooling air 90 can be used as the cooling gas.
  • an inert gas such as nitrogen gas may be used as the cooling gas in order to further enhance the cooling effect or to prevent the heating element 56 from being corroded at high temperatures due to impurities in the air.
  • the film processing for the wafer 1 is performed by the substrate processing apparatus 10.
  • Reference numerals S1 to S6 shown in FIG. 4 indicate that steps S1 to S6 of FIG. 3 are performed.
  • Step S1 (standby step) is a process of stabilizing the temperature in the furnace at a relatively low temperature T0.
  • the substrate 18 has not yet been inserted into the furnace.
  • Step S2 (boat loading step) is a process of inserting the substrate 1 held on the boat 31 into the furnace.
  • the temperature of the boat 31 and the substrate 1 is lower than the temperature T0 in the furnace at this time, and as a result of inserting the substrate 1 held in the boat 31 into the furnace, an atmosphere outside the furnace (room temperature) is introduced into the furnace. Therefore, although the temperature in the furnace temporarily becomes lower than T0, the temperature in the furnace is stabilized again at the temperature T0 after some time by temperature control using the multi-cooling unit in this embodiment described later.
  • Step S3 is a process of gradually increasing the temperature in the furnace from the temperature T0 to the target temperature T1 for performing a predetermined process on the substrate 1.
  • Step S4 is a process of stabilizing the temperature in the furnace at the target temperature T1 in order to perform a predetermined process on the substrate 1.
  • Step S5 is a process of gradually lowering the temperature in the furnace from the temperature T1 to the relatively low temperature T0 again after the process is completed.
  • the temperature deviation between the zones can be reduced by lowering the temperature in the furnace from the temperature T1 to the temperature T0 by temperature control using a cooling unit in the present embodiment described later.
  • Step S6 is a process of drawing the processed substrate 1 together with the boat 31 from the furnace.
  • the atmosphere (room temperature) outside the furnace is introduced into the furnace, so that the temperature inside the furnace temporarily becomes lower than T0.
  • the temperature in the furnace is stabilized again at the temperature T0 after a short time, and the process proceeds to step S1.
  • the unprocessed substrate 1 is subsequently processed, it is better to stabilize the temperature in the furnace at the temperature T0 by temperature control using a cooling unit in the present embodiment described later.
  • steps S1 to S6 After obtaining a stable state in which the furnace temperature is within a predetermined minute temperature range with respect to the target temperature and the state continues for a predetermined time, It is supposed to go to the step. Or recently, for the purpose of increasing the number of substrates 1 processed in a certain time, in steps S1, S2, S5, S6, etc., a stable state is not obtained and the process proceeds to the next step. ing.
  • FIG. 5 is an illustrative example showing a multi-cooling unit in the present embodiment.
  • the outer tube 12 and the inner tube 13 are collectively shown as the reaction tube 11, and the structure regarding the heating apparatus 40 is abbreviate
  • the multi-cooling structure shown in FIG. 5 includes an intake pipe 101 that supplies cooling air 90 as a gas for cooling the inside of the furnace for each of a plurality of zones (U1, U2, CU, C, CL, L1, and L2), A control valve 102 as a conductance valve for adjusting the gas flow rate, a plurality of opening holes (quenching holes) 110 for ejecting gas toward the reaction tube, and an intake pipe 101 provided for each zone And an annular buffer 106 that temporarily stores the gas supplied from the intake pipe 101.
  • Each opening hole 110 is configured to blow cooling air 90 stored in the annular buffer 106 to the inner space 75 via the cooling gas passage 108 provided in the side wall inner layer 44.
  • the flow rate of the cooling air 90 introduced into the intake pipe 101 is set in accordance with the ratio of the zone length of each zone, and the control valve 102 is opened and closed, so that the gas jetted from the opening hole 110 toward the reaction pipe 11 It is configured to adjust the flow rate and flow velocity.
  • the control valve 102 can change the flow rate and flow rate of the cooling air introduced into each zone by adjusting the opening of the valve by a temperature controller (not shown) according to the components in the reaction tube 101. it can.
  • the intake pipe 101 is provided with a back diffusion prevention body (check damper) 104 that prevents back diffusion of the atmosphere from the processing chamber 14. Since the back diffusion preventing body 104 is exhausted from the exhaust port 81 above the inner space 75, it communicates with the lower side of the annular buffer 106 provided in each zone so that the cooling air 90 can be efficiently accumulated in the annular buffer 106. It is configured to be. When the quenching is not used, convection between the intake pipe 101 and the heat insulating structure 42 is prevented.
  • a back diffusion prevention body (check damper) 104 that prevents back diffusion of the atmosphere from the processing chamber 14. Since the back diffusion preventing body 104 is exhausted from the exhaust port 81 above the inner space 75, it communicates with the lower side of the annular buffer 106 provided in each zone so that the cooling air 90 can be efficiently accumulated in the annular buffer 106. It is configured to be. When the quenching is not used, convection between the intake pipe 101 and the heat insulating structure 42 is prevented.
  • the intake pipe 101 is configured to be provided with a throttle portion 103 as an orifice for suppressing the flow rate of the cooling air 90 ejected from the opening hole 110.
  • the aperture 103 is provided for each zone as necessary.
  • the flow path cross-sectional area of the intake pipe 101 provided for each zone and the flow path cross-sectional area of the annular buffer 106 are configured to be larger than the sum of the cross-sectional areas of the opening holes 110 provided for each zone. Further, each zone (for example, U2, CU, C, in FIG. 5) from approximately the same height as the uppermost area AR of the product wafer placed on the boat 31 to the lowermost area AR of the product wafer.
  • the opening hole 110 is provided so that the flow rate and the flow velocity of the cooling air 90 blown to CL, L1) are uniform.
  • the opening holes 110 are provided at the same interval in the circumferential direction and the vertical direction in the zone, and the cooling air 90 accumulated in the annular buffer 106 is passed through the cooling gas passage 108 provided in the inner wall layer 44 through the inner space. 75 to blow out.
  • the heat insulating structure 42 used in the heating device 40 having a plurality of control zones (U1, U2, CU, C, CL, L1, L2 in this embodiment) has a side wall portion 43 formed in a cylindrical shape.
  • the side wall 43 is formed in a multi-layer structure, and a partition 105 for separating the side wall 43 into a plurality of cooling zones (U1, U2, CU, C, CL, L1, L2) in the vertical direction;
  • a cylindrical space between the side wall inner layer 44 and the side wall outer layer 45 which is composed of a space between the partition portions 105 adjacent in the vertical direction, and a plurality of layers of the side wall portions 43 for each cooling zone.
  • the outer sidewall layer 45 Provided in the outer sidewall layer 45 disposed outside the gas inlet passage 107 communicating with the annular buffer 106 and the inner sidewall layer 44 disposed in the inner side of the plurality of layers of the sidewall portion 43 for each zone. Cooling in communication with buffer 106 The same interval in the circumferential direction and the vertical direction of the sidewall inner layer 44 so that the cooling air 90 is blown out from the cooling gas passage 108 to the space 75 for each cooling zone, and the space 75 provided inside the sidewall inner layer 44. It is the structure provided with the opening hole 110 provided by.
  • the gas introduction path 107 is formed so as to communicate with the lower side of the annular buffer 106, and the opening hole 110 is provided so as to avoid a position facing the gas introduction path 107. Needless to say, the cooling air 90 blown out from the opening hole 110 is disposed so as to avoid the heating element 56 (not shown).
  • the partition part 105 is arrange
  • the number of control zones and the number of cooling zones are arbitrarily set.
  • the structure in the process tube 11 facing the U1 zone and the L2 zone is that the U1 zone is a space (ceiling space portion) and is a heat insulation region including a heat insulation cap portion 36, and a region AR.
  • the cooling of the reaction tube 11 facing the U1 zone and the L2 zone is not uniform.
  • a dummy wafer used for temperature adjustment called a so-called side dummy wafer is placed on the boat 31. . Therefore, it is possible to reduce the influence on the temperature of the wafer 18 as a product in the case where the cooling of the reaction tube 11 is not uniform.
  • a control computer 200 as a control unit includes a computer main body 203 including a CPU (Central Processing Unit) 201 and a memory 202, a communication IF (Interface) 204 as a communication unit, and a storage unit.
  • the CPU 201 constitutes the center of the operation unit, executes a control program stored in the storage device 205, and executes a recipe (for example, a process recipe) recorded in the storage device 205 in accordance with an instruction from the operation unit 206. To do.
  • a ROM Read Only Memory
  • EEPROM Electrically Erasable Programmable Read Only Memory
  • flash memory a hard disk, and the like
  • a RAM Random Access Memory
  • the communication unit 204 is electrically connected to the pressure controller 21, the gas flow rate controller 24, the drive controller 28, and the temperature controller 64 (these may be collectively referred to as a sub-controller), and exchanges data related to the operation of each component. Can do. Further, it is also electrically connected to a valve control unit 300 described later, and can exchange data for controlling the multi-cooling unit.
  • control computer 200 has been described as an example.
  • the present invention is not limited to this, and can be realized using a normal computer system.
  • the above-described processing can also be executed by installing the program from a recording medium 207 such as a CDROM or USB storing a program for executing the above-described processing in a general-purpose computer.
  • a communication IF 204 such as a communication line, a communication network, or a communication system may be used.
  • the program may be posted on a bulletin board of a communication network and provided by being superimposed on a carrier wave via the network.
  • the above-described processing can be executed by starting the program thus provided and executing it in the same manner as other application programs under the control of an OS (Operating System).
  • OS Operating System
  • the structure of the cooling unit according to the present embodiment has a configuration in which a control valve 102 is provided in the zone to reduce the difference between the devices caused by the fluctuation of the customer factory facility exhaust during the rapid cooling, the variation of the individual components, and the installation condition in the device. It has become. Furthermore, the cooling capacity can be adjusted by adjusting the flow rate supplied according to the opening degree of the control valve 102. For example, as shown in FIG. 7, the relationship between the opening degree of the control valve 102 and the cooling capacity is obtained in advance, and it is known that the cooling capacity is 87% when the opening degree is 50%.
  • the horizontal axis in FIG. 7 is the cooling capacity (unit%), and the vertical axis is the opening degree (unit%) of the control valve 102.
  • the opening degree is often set to 100% (cooling capacity 100%).
  • the temperature is decreased along the rate set in the temperature decreasing step in step S5, or in step S3 in FIG.
  • temperature control using the cooling unit in the present embodiment will be described. That is, temperature control and valve opening control in this embodiment will be described.
  • the 1st control system using the cooling unit in this embodiment is called 1st Embodiment.
  • a correlation diagram between the exhaust air volume introduced into each zone and the temperature drop rate is measured in advance, and the air volume of the introduced cooling air 90 is set according to the derived relational expression.
  • the opening degree of the control valve 102 By fixing the opening degree of the control valve 102, a constant flow rate is supplied in advance for each zone, and a predetermined target temperature decrease rate can be obtained.
  • the temperature drop rate can be obtained by an inexpensive and simple method, but it is greatly affected by the equipment configuration and equipment environment (for example, machine differences between equipment are likely to occur, or variations due to parts, factory exhaust equipment). The device reliability is low.
  • the method of fixing the exhaust air volume of the cooling air 90 in the first embodiment actually measures the correlation between the exhaust air volume and the temperature drop rate, so it takes time and labor. There is a high possibility that start-up will be significantly delayed.
  • control valve 102 Although only one control valve 102 is shown in FIG. 8 for the sake of explanation, similar control valves 102 are provided in other zones, and the opening degree differs in each zone. Can be. The introduced cooling gas is also supplied for each zone. Further, the control in the present embodiment is a control performed at the temperature lowering step S5 shown in FIG.
  • the heater power is always 0% in the temperature lowering step S5, and therefore the description of the heater power calculation method is omitted.
  • control for calculating the opening degree of the control valve 102 will be described.
  • the control for calculating the opening degree of the control valve 102 in the present embodiment is different between the reference zone and other than the reference zone.
  • a reference set value calculator 301 shown in FIG. 8A calculates a reference set value from the previous set value, current set value, and reference ramp rate set by the control unit 200.
  • the subtractor 302 calculates a difference Bd by subtracting the reference set value Bs obtained by the above equation and the temperature Ba of the thermocouple 66 in the reference zone set in the reference zone, and a PD calculator 303 for calculating the control valve. To output.
  • the control valve calculation PD calculator will be described with reference to FIG. 9A.
  • the control valve PD calculator includes an adder 311, a proportional calculation 312, and a differentiation calculation 313.
  • the proportional calculator 42 inputs the deviation I and outputs a value (P calculation) multiplied by a preset parameter Kp as a proportional value ⁇ .
  • the proportional value ⁇ can be obtained according to the following equation.
  • the differential calculator 43 inputs the deviation I, and outputs as a differential value R a value obtained by multiplying the result of the time differential calculation (D calculation) of the deviation I by a preset parameter Kd.
  • the differential value R is obtained according to the following equation.
  • the adder 51 inputs the proportional value ⁇ and the differential value R, calculates the sum of them, and outputs the manipulated variable M.
  • the manipulated variable M of the control valve 102 is obtained from the above-described formulas (1) and (2). It is obtained according to the following formula.
  • the previous set value, current set value, and reference ramp rate are input from the control unit 200 shown in FIG. 8A to the valve control unit 300, and the reference set value calculator 301 calculates the reference set value Bs.
  • the thermocouple temperature in the reference zone Ba is input, and the subtracter 302 in the valve control 300 outputs a deviation Bd obtained by subtracting the reference set value Bs from the thermocouple temperature Ba of the reference zone.
  • the control valve PD computing unit 303 uses the deviation Bd to generate PD.
  • the operation amount X is determined by calculation.
  • the manipulated variable X is converted to an opening X ′ by an opening converter 304, and the opening of the control valve 102 is changed.
  • thermocouple temperature Ba of the reference zone is fed back to the valve control 300 again.
  • the opening degree of the control valve 102 is changed every moment so that the deviation Bd between the thermocouple temperature Ba of the reference zone and the reference set value Bs becomes zero.
  • the subtractor 302 calculates a difference Td as a result of subtracting the thermocouple temperature Ba of the reference zone from the temperature Ta other than the reference zone, and outputs the result to the control valve calculation PD calculator 303.
  • the PD computing unit is as described above, and the content is the same, so the description is omitted.
  • thermocouple temperature Ba of the reference zone is input, and in addition, the thermocouple temperature Ta other than the reference zone is input, and the subtractor 302 in the valve control unit 300 receives the temperature other than the reference zone.
  • a deviation Td obtained by subtracting the thermocouple temperature Ba of the reference zone from Ta is output, and the PD calculation unit 303 for the control valve performs PD calculation using the deviation Td to determine the manipulated variable X.
  • the manipulated variable X is converted to an opening X ′ by the opening converter 304, and the opening of the control valve 102 is changed.
  • thermocouple 66 in the reference zone and the thermocouples 65 other than the reference zone are fed back to the valve controller 300 again.
  • the opening degree of the control valve 102 is changed every moment so that the deviation Td between the thermocouple temperature other than the reference zone and the thermocouple temperature Ba of the reference zone becomes zero.
  • the temperature other than the reference zone becomes zero with respect to the reference zone temperature. Therefore, it is possible to prevent the deviation between the zones from deteriorating.
  • control in this embodiment is also performed for other zones, and is different for each zone.
  • the opening can be set.
  • the introduced cooling gas (cooling air) 90 is also supplied for each zone.
  • the calculation for calculating the heater power is performed as usual. That is, the subtractor 21 calculates a result obtained by subtracting the set value S set by the host controller and the control amount A as the deviation D, and outputs it to the PID calculator 22.
  • the PID calculator includes an adder 331, an integral calculation 332, a proportional calculation 333, and a differentiation calculation 334.
  • the integral calculation 332 inputs the deviation I, and outputs a value obtained by multiplying the result of the deviation I by time integration calculation (I calculation) by a preset parameter Ki as an integral value N. Assuming that the deviation I at a specific time t is I (t) and the integral value N at that time is N (t), the integral value N is obtained according to the following equation.
  • the proportional calculator 333 inputs the deviation I and outputs a value (P calculation) multiplied by a preset parameter Kp as a proportional value ⁇ .
  • the proportional value ⁇ can be obtained according to the following equation.
  • the differential calculator 334 inputs the deviation I, and outputs a value obtained by multiplying the result of the time differential calculation (D calculation) of the deviation I by a preset parameter Kd as the differential value R. Assuming that the deviation I at a specific time t is I (t) and the differential value R at that time is R (t), the differential value R is obtained according to the following equation.
  • the adder 331 inputs the integral value N, the proportional value ⁇ , and the differential value R, calculates the sum of them, and outputs the manipulated variable M.
  • the target value S is input from the control unit 200 to the temperature control unit 64 and, in addition, the control amount A from the cascade thermocouple 65 is input, and the subtractor 321 in the temperature control unit 64 A deviation D obtained by subtracting the control amount A from the target value S is output, and the PID calculator 322 performs PID calculation using the deviation D to determine the operation amount X.
  • This manipulated variable X is converted into a target value W by a converter (not shown), the target value W and the control amount B from the heater thermocouple are input to the subtractor 323, and the subtractor 323 calculates the control amount B from the target value W.
  • the subtracted deviation E is output, the PID calculator 324 performs PID calculation using the deviation E, and the manipulated variable Z is output as the output of the temperature control unit 64 and input to the heater unit 40.
  • the control amounts A and B output from the heater unit 40 are returned to the temperature control unit 64 again. In this way, the operation amount Z output from the temperature control unit 64 is changed every moment so that the deviation D between the target value S and the control amount A becomes zero.
  • PID control Such a control method is called PID control.
  • the subtracter 302 calculates a result obtained by subtracting the POWER set value Zs set by the control unit 200 and the operation amount Z calculated by the temperature control unit 64 as a deviation Zd, and outputs the result to the control valve calculation PD calculator 303. It is.
  • the power target value Zs is input from the control unit 200 to the valve control unit 300, and the heater power manipulated variable Z is input.
  • the power target value is obtained in the subtracter 302 in the valve control unit 300.
  • a deviation Zd obtained by subtracting the heater power manipulated variable Z from Zs is output, and the control valve PD computing unit 303 performs PD computation using the deviation Zd to determine the manipulated variable X.
  • the manipulated variable X is converted to an opening X ′ by an opening converter 304, and the opening of the control valve 102 is changed.
  • the heater power operation amount Z output from the heater unit 40 is returned to the valve control unit 300 again.
  • the opening degree of the control valve 102 is changed every moment so that the deviation Zd between the heater power operation amount Z output from the temperature control unit 64 and the heater power target value Zs becomes zero.
  • a conductance valve capable of adjusting the opening degree is installed for each zone as means for deviating the cooling capacity for each zone, and the cooling capacity is changed for each zone by varying the conductance valve according to the condition of the processing chamber. In this way, the temperature deviation between zones is improved.
  • E It is possible to absorb and reduce machine-to-device differences caused by fluctuations in customer factory facility exhaust, variations in individual parts, and installation conditions in the device by controlling the conductance valve.
  • F The heater power excess output resulting from the difference in temperature drop rate of each zone due to the structure in the reaction tube during rapid cooling by air cooling can be reduced by changing the cooling capacity by controlling the conductance valve, and an energy saving effect is expected it can.
  • G During temperature recovery, temperature overshoot due to excess heat can be quickly eliminated by air cooling for each zone when the temperature is stable.
  • H Improvement in temperature stability can be expected by shortening the temperature stabilization time during temperature recovery.
  • the calculation which calculates heater power is implemented as usual.
  • the subtractor 321 calculates a difference Dd by subtracting the deviation target value Ds set by the control unit 200 from the deviation D calculated by the temperature control unit 64 and outputs the result to the control valve calculation PD calculator 303. Is. Note that the explanation of the operation of the PD computing unit 303 has already been described above, and will be omitted.
  • the deviation target value Ds is input from the control unit 200 to the valve control unit 300 and, in addition, the deviation D is input.
  • the subtractor 302 in the valve control unit 300 calculates the deviation target value from the deviation D.
  • the deviation Dd obtained by subtracting Ds is output, and the PD calculator 303 for the control valve performs PD calculation using the deviation Dd to determine the operation amount X.
  • the manipulated variable X is converted to an opening X ′ by an opening converter 304, and the opening of the control valve 102 is changed.
  • the deviation D calculated by the temperature control unit 64 is fed back to the valve control unit 300 again.
  • the opening degree of the control valve 102 is changed every moment so that the deviation Dd between the deviation D sent out by the temperature control unit 64 and the deviation target value Ds becomes zero.
  • the fourth embodiment performs substantially the same control as the third embodiment, the same effect as the third embodiment (at least one of the above-mentioned (d) to (h)) Play.
  • the deviation D for example, overshoot
  • the opening degree of the control valve 102 is not opened and cooled. Therefore, the opening degree of the control valve 102 is adjusted using the operation amount Z as a trigger. Example 3 is preferred.
  • Example 1 The third embodiment is used for the temperature raising step S3, and the third embodiment is used for the temperature lowering step S5. Further, at least one of the temperature raising step S3 and the temperature lowering step S5 may be changed to the fourth embodiment.
  • the temperature control unit 64 is configured to control the operation amount Z so that the thermocouple 65 becomes the target temperature T1 by the conventional PID control.
  • the valve control unit 300 is configured to perform PD control so that the deviation Zd between the operation amount Z and the set operation amount Zs from the control unit 200 becomes zero. Thereby, the opening degree of the control valve 102 is adjusted, and the cooling capacity is controlled.
  • the power value (operation amount Z) is controlled by the PID calculation including the I operation by the heater control by the conventional heater unit 40. The I operation is omitted in the unit control.
  • the control valve 102 is configured to increase the opening degree so as to increase the cooling capacity and control the power output to be increased.
  • the control valve 102 is configured to be controlled so that the opening degree of the control valve 102 is reduced to weaken the cooling capacity and the power output is reduced.
  • cooling is performed by the cooling unit during the temperature increase even when the temperature increase rate is large.
  • the power value operation amount Z
  • the valve control 300 increases the opening of the control valve 102.
  • the manipulated variable Z increases and the power value becomes equal to or higher than the target power value.
  • the opening capacity of the valve 102 is reduced to reduce the cooling capacity.
  • the power value (operation amount Z) decreases and the power value becomes equal to or less than the target power value. Since the cooling capacity is increased by increasing the opening degree of the control valve 102, it is possible to approach the target temperature T1 as compared with the conventional heater control. On the other hand, when the temperature is equal to or lower than the target temperature T1, the power value (operation amount Z) is increased, so that the valve control unit 300 reduces the opening of the control valve 102, so that it can be close to the target temperature T1. Such an operation is repeated to converge to the target temperature T1.
  • Temperature recovery time is shortened by controlling the control valve 300 (assisted by a cooling unit). Moreover, compared with the case where only the temperature control of the heater unit 40 is performed so far, the temperature stabilization at the time of the transition from the heating step S3 to the film forming step S4 can be improved in each stage.
  • the temperature is lowered to the target temperature T0 in the temperature lowering step S5.
  • the temperature control unit 64 is configured to control the manipulated variable Z so that the thermocouple 65 becomes the target temperature T0 by the conventional PID control.
  • the valve control unit 300 is configured to perform PD control so that the deviation Zd between the operation amount Z and the set operation amount Zs from the control unit 200 becomes zero. Thereby, the opening degree of the control valve 102 is adjusted, and the cooling capacity is controlled.
  • the operation amount Z is set small in order to lower the temperature T1 to the temperature T0.
  • the valve control unit 300 increases the opening degree of the control valve 102 to increase the cooling capacity.
  • the manipulated variable Z is set large.
  • the valve control unit 300 decreases the opening degree of the control valve 102 and weakens the cooling capacity. While repeating the heating by the heater unit 40 and the cooling by the valve control unit 300, it is possible to follow a preset temperature drop rate.
  • the control of the valve control unit 300 (assist by the cooling unit) can be expected to significantly improve the temperature deviation between zones when the temperature is lowered and to save energy as compared with the conventional heater control alone.
  • Example 2 The third embodiment is used for the temperature raising step S3, and the second embodiment is used for the temperature lowering step S5. Further, the temperature raising step S3 may be changed to the fourth embodiment, and the temperature lowering step S5 may be changed to the first embodiment. As described above, the combination of the first to fourth embodiments can be arbitrarily set.
  • the temperature raising step S3 is the same as that of the first embodiment, the description thereof is omitted. Then, after predetermined processing is performed on the substrate 1 in step S4, the temperature is lowered to the temperature T1 target temperature T0 in the temperature lowering step S5. In the second embodiment, the power of the heater unit 40 in the temperature lowering step S5 is always 0%, and the temperature is rapidly decreased to improve the throughput (productivity improvement).
  • the valve controller 200 is controlled based on a preset measured temperature Ba of a reference zone. Specifically, with respect to the reference zone, the previous set value T1, the current set value T0, and the reference ramp rate are input from the control unit 200 to the valve control unit 300, and the reference set value calculator 301 calculates the reference set value Bs.
  • the subtractor 302 in the valve control 300 receives the thermocouple temperature Ba of the reference zone, and outputs a deviation Bd obtained by subtracting the reference set value Bs from the thermocouple temperature Ba of the reference zone.
  • the control valve PD computing unit 303 is configured to perform PD computation using the deviation Bd and determine the manipulated variable X.
  • the manipulated variable X is converted into an opening X ′, and the opening of the control valve 102 is adjusted.
  • the subtracter 302 in the valve control unit 300 receives the thermocouple temperature Ba of the reference zone, and additionally inputs the thermocouple temperature Ta other than the reference zone.
  • a deviation Td obtained by subtracting the thermocouple temperature Ba of the reference zone from Ta is output.
  • the control valve PD computing unit 303 is configured to perform PD computation using the deviation Td and determine the manipulated variable X.
  • the manipulated variable X is converted into an opening X ′, and the opening of the control valve 102 is adjusted.
  • the temperature deviation indicates the difference between the maximum value and the minimum value of the temperatures measured in a plurality of control zones (maximum value ⁇ minimum value).
  • FIG.12 and FIG.13 is an illustration example which applied the effect by the temperature control using the cooling unit in Embodiment 3 mentioned above to the temperature rising step (step S3), and the furnace in the temperature rising step (step S3) It is a figure when the inside temperature change is compared with a comparative example (without a cooling unit) and Embodiment 3 mentioned above.
  • the temperature transition from the start of the temperature raising step (step S3) to the transition to the processing step (step S4) is illustrated by the temperature of the CU zone among the plurality of control zones.
  • the horizontal axis shown in FIG. 12 is time (units), and the vertical axis is temperature (units C), and the start time of the temperature raising step (step S3) is shown as 0 minutes.
  • the temperature deviation between zones from the temperature rising step (step S3) to the processing step (step S4) is indicated by a dotted line, from 500 ° C. (standby temperature T0) to 650 ° C. (target temperature T1). Until now, the temperature change in the furnace when the temperature is raised at a rate of 10 ° C./min is shown by a solid line.
  • FIG. 13 is an enlarged view of a portion (A in FIG. 12) that shifts from the heating step (step S3) to the processing step (step S4).
  • FIG. 13 shows the temperature change in the furnace after 15 minutes from the start of the temperature raising step (step S3), but this time of 15 minutes depends on the heating by the heating device 40 and the cooling unit 100. This is the time when temperature control is performed using both cooling.
  • the overshoot in the comparative example is 2 ° C., and the time during which the upper and lower limit values are stabilized within 1 ° C. is approximately 21 minutes from the start of the temperature raising step (step S3).
  • the overshoot in the temperature control (Embodiment 3) using the cooling unit 100 in the embodiment is 0.5 ° C., and the time until the temperature stabilizes within 1 ° C. is about 17 minutes.
  • the temperature stability is remarkably improved as compared with the comparative example.
  • 17 minutes is the time when the temperature in the furnace (the temperature of the CU zone) has reached 649 ° C. (target temperature—lower limit) when the temperature is raised from 500 ° C. to 650 ° C. After reaching °C, it converges to the range of upper and lower limits (1 °C).
  • the temperature controllability is significantly improved as compared with the comparative example when the temperature is raised in advance.
  • the temperature control according to the third embodiment is completed before the temperature in the furnace (the temperature of the CU zone) reaches the upper and lower limit range within the range of the temperature rise. Overheating is suppressed. On the other hand, in the comparative example, overshoot occurs, and it takes time for the temperature of the CU zone to converge within the range of the upper and lower limit values.
  • both the heating by the heating device 40 and the cooling by the cooling unit 100 are used to follow a predetermined rate (in this case, 10 ° C./min). Therefore, the time for convergence to the upper and lower limit values can be shortened compared to the comparative example (without the cooling unit). Furthermore, according to the third embodiment, the temperature can be kept within the upper and lower limit values even if overshooting occurs. Therefore, it is possible to shift to the next processing step (step S4) earlier than the comparative example, and the throughput can be improved.
  • FIG. 14 is an illustrative example in which the temperature control using the cooling unit 100 in the above-described third embodiment is applied to the temperature lowering step (step S5), and the temperature change in the furnace at the temperature lowering step (step S5) is a comparative example ( It is a figure when it compares with valve
  • FIG. 14 shows the temperature transition from the temperature lowering step (step S5) to the next step (step S6) before the transition to the next step (step S6) as the average temperature of the furnace temperature measured by thermocouples in all zones.
  • the horizontal axis shown in FIG. 14 is time (unit), and the vertical axis is temperature (unit ° C).
  • the left vertical axis is the temperature in the furnace, and the right vertical axis is the temperature deviation.
  • comparison should be made without a cooling unit. However, in the case of no cooling (only power off of the heating device 40), the temperature cannot be lowered at a rate of 10 ° C / min.
  • Embodiment 3 controlling the opening of the valve).
  • FIG. 14 shows the temperature deviation between zones from the temperature lowering step (step S5) to the next step (step S6) by a dotted line, and the temperature change of the average temperature in all zones is shown by a solid line. It is a thing. As shown in FIG. 14, the temperature change in the furnace is shown when the temperature is lowered from 800 ° C. to 400 ° C. at a rate of 10 ° C./min. This temperature change is shown by the average temperature of the furnace temperature measured with the thermocouple of all the zones. And the temperature change in this furnace and the temperature deviation between zones are substantially equal in a comparative example and Embodiment 3. FIG.
  • the heater power is applied and heated by the heating device 40 so that the temperature drop is delayed to a rate of 10 ° C./min.
  • both cooling and heating by the heating device 40 are adjusted by the cooling air 90. Therefore, energy saving can be realized as compared with the comparative example in which the temperature drop rate (10 ° C./min) is controlled only by the heater power.
  • FIG. 15 is an illustrative example in which the temperature control using the cooling unit 100 in the first and second embodiments described above is applied to the temperature lowering step (step S5), and the temperature change in the furnace in the temperature lowering step (step S5).
  • FIG. 2 is a diagram when a comparison is made between a comparative example (valve 100% open and fixed), Embodiment 1 (valve opening is fixed for each cooling zone), and Embodiment 2 (with valve opening control).
  • FIG. 15 also shows the average temperature in the furnace measured by thermocouples in all zones, with respect to the temperature transition (solid line) from the temperature lowering step (step S5) to the next step (step S6). Shown in temperature.
  • the horizontal axis shown in FIG. 15 is time (units), and the vertical axis is temperature (unit ° C).
  • the left vertical axis is the temperature in the furnace, and the right vertical axis is the temperature deviation.
  • a temperature change in the furnace is shown when the heating device 40 is cooled down from 800 ° C. with the power off (heater power 0%).
  • the time to reach from 800 ° C. to 400 ° C. is naturally about 12 minutes first in the comparative example (the valve opening is fixed at 100%) in order of increasing supply of cooling gas.
  • Embodiment 1 fixed for each valve opening zone
  • Embodiment 2 with valve opening control
  • the temperature deviation (dotted line) between zones when the heating device 40 is cooled down from 800 ° C. with the power off (heater power 0%) is shown.
  • the temperature deviation between the zones of the comparative example exceeds the maximum of 60 ° C.
  • the temperature deviation between the zones is 20 ° C. or more from 3 minutes after the start of temperature decrease from 800 ° C.
  • the temperature deviation between the zones is about 20 ° C. from 10 minutes after the start of temperature decrease from 800 ° C.
  • the temperature deviation between the zones is reduced compared to the comparative example (valve opening 100% fixed), it seems that there is a limit to the control for fixing the valve opening of the cooling air 90.
  • the temperature deviation between zones in Embodiment 2 is the temperature deviation between zones without the maximum value of temperature deviation between zones exceeding 10 ° C. during the temperature lowering step (step S5). Is about 8 ° C.
  • the temperature control using the cooling unit 100 according to the second embodiment (or the first embodiment) is performed, thereby improving the throughput over the third embodiment. Can be planned.
  • FIG. 16 is a view showing the effect of temperature control using the cooling unit 100 in the above-described third embodiment in a boat loading step (step S2), and the temperature change in the furnace in step S2 is a comparative example (no cooling unit). ) And the third embodiment described above. As shown in FIG. 16, it is possible to shorten the temperature recovery time when the temperature drop due to the disturbance as in step S2 cannot be avoided.
  • step S2 the temperature transition of step S2 is illustrated by the temperature of the L1 zone among the plurality of control zones.
  • the horizontal axis shown in FIG. 16 is time (units), and the vertical axis is temperature (unit ° C.).
  • the left vertical axis is the temperature in the furnace, and the right vertical axis is the temperature deviation.
  • the temperature change in the furnace (solid line) and the temperature deviation between the zones (dotted line) when the boat 31 is charged into the furnace while maintaining at 500 ° C. are shown.
  • the temperature drop is a maximum value of 25 ° C. and the maximum temperature deviation is about 20 ° C.
  • the temperature control using the cooling unit in Embodiment 3 described above was used to control the cooling unit in Embodiment 3 described above.
  • the maximum temperature drop was smaller than 10 ° C., and the maximum temperature deviation was about 10 ° C.
  • the time when the temperature was stabilized again at 500 ° C. ( ⁇ 2 ° C.) was 35 minutes in the comparative example, and 21 minutes in the third embodiment.
  • the temperature recovery time when the temperature decrease due to the disturbance as in step S2 cannot be avoided can be shortened. Therefore, according to the third embodiment, it is possible to shift to the next heating step (step S3) earlier than the comparative example, and it is possible to improve the throughput.
  • step S2 when the boat loading step (step S2) is performed at a relatively low temperature (500 ° C. in FIG. 16), in the comparative example, the power is excessively output with respect to the temperature fluctuation due to the disturbance of the boat loading.
  • the temperature becomes equal to or higher than the set value, and the power is turned off (heater power 0%) so as to reduce the power. It took a long time for the furnace temperature to fall to the set value in this power off state (heater power 0%), and the temperature recovery time was long.
  • the cooling is strengthened (valve OPEN) when the output is less than or equal to the preset power value, and the cooling is weakened (valve close) when the output is equal to or greater than the preset power value.
  • the purpose is to output a certain power.
  • the power off (heater power 0%) state is shortened as in the comparative example, the power value can be increased or decreased with respect to temperature fluctuations due to disturbance, temperature controllability is improved, and temperature recovery time is shortened. can do.
  • the temperature control using the cooling unit in the third embodiment described above can shorten the temperature recovery time in step S6 (boat unloading step) as compared with the comparative example.
  • the present invention can be applied not only to a semiconductor manufacturing apparatus but also to an apparatus for processing a glass substrate such as an LCD apparatus.
  • a glass substrate such as an LCD apparatus.
  • it is used for oxidation treatment and diffusion treatment on semiconductor wafers on which semiconductor integrated circuit devices (semiconductor devices) are made, reflow for annealing and planarization of carriers after ion implantation, and film formation treatment by annealing and thermal CVD reaction.
  • the present invention can be applied to an effective substrate using a substrate processing apparatus.
  • the present invention can be applied to any processing apparatus that performs processing in a state in which a substrate to be processed is accommodated in a processing chamber and heated by a heating apparatus.

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Abstract

本発明の一態様によれば、ボートに載置された状態の基板を加熱するヒータユニットと、所定の温度に維持するようヒータユニットを制御する温度制御部と、反応管に向けて供給するガスの流量を調整する制御バルブの開度を調整するバルブ制御部と、所定の昇温レートで所定の温度まで昇温させる昇温ステップ、所定の温度で基板を処理する処理ステップ、所定の温度から所定の降温レートで降温させる降温ステップを含むレシピを実行指示する制御部と、を備え、ヒータユニットによる加熱及び制御バルブから供給されるガスによる冷却を並行させて所定の昇温レート及び所定の降温レートに追従させる構成が提供される。

Description

基板処理装置、半導体装置の製造方法及びプログラム
　本発明は、基板処理装置、半導体装置の製造方法及びプログラムに関する。
基板処理装置の一例として、半導体製造装置があり、さらに半導体製造装置の一例として、縦型装置があることが知られている。縦型装置では、複数の基板（以下、ウエハともいう）を多段に保持する基板保持部としてのボートを、基板を保持した状態で反応管内の処理室に搬入し、複数のゾーンで温度制御しつつ基板を所定の温度で処理することが行われている。これまで、従来ヒータの温度制御では降温時にヒータオフとしていたが、近年、基板処理後の降温特性を積極的に向上させることが行われている。
特許文献１は、開閉弁を開閉することにより、成膜時と降温時と温度リカバリ時のそれぞれで冷却ガスの流れを変更する技術を開示する。また、特許文献２は、吹出し孔の数や配置を変えることによりヒータ各部の降温速度を設定する技術が記載されている。しかしながら、上述したクーリングユニット構成での冷却ガス流量の制御では、急速冷却中、反応管を均一に冷却することができないため、ゾーン毎の降温速度の変化が異なり、ゾーン間の温度履歴に差を生じてしまうという問題があった。
一方、近年、生産性向上のため可能な限り昇温レートを大きくする要求がある。このためゾーン毎の昇温速度の変化が異なり、ゾーン間の温度履歴に差が生じてしまう問題も発生している。
特開２０１４－２０９５６９号公報 国際特開２００８／０９９４４９号公報
本発明の目的は、ゾーン間の温度偏差を改善する構成を提供することにある。
　本発明の一態様によれば、ボートに載置された状態の基板を加熱するヒータユニットと、所定の温度に維持するようヒータユニットを制御する温度制御部と、反応管に向けて供給するガスの流量を調整する制御バルブの開度を調整するバルブ制御部と、所定の昇温レートで所定の温度まで昇温させる昇温ステップ、所定の温度で基板を処理する処理ステップ、所定の温度から所定の降温レートで降温させる降温ステップを含むレシピを実行指示する制御部と、を備え、ヒータユニットによる加熱及び制御バルブから供給されるガスによる冷却を並行させて所定の昇温レート及び所定の降温レートに追従させる構成が提供される。
　本発明に係る技術によれば、ゾーン間での温度偏差を改善することができ、基板の温度安定性を向上させることができる。
本発明の一実施形態に係る基板処理装置を示す一部切断正面図である。 本発明の一実施形態に係る基板処理装置の正面断面図である。 本発明の実施形態に係る成膜処理のうち温度に関する処理の一例を示すフローチャートを示す図である。 図３に示したフローチャートにおける炉内の温度変化を示す図である。 本発明の一実施形態に係る基板処理装置の主要部を示す図である。 本発明の実施形態に係る基板処理装置におけるコンピュータのハードウェア構成を示す図である。 本発明の実施形態に係るクーリングユニットにおいて制御バルブと冷却能力の関係を説明する図である。 本発明の第２実施形態に係る基板処理装置におけるバルブ制御部と制御バルブの関係を模式的に示す図である。 本発明の第２実施形態に係る基板処理装置におけるバルブ制御部と制御バルブの関係を模式的に示す図である。 本発明の実施形態に係る基板処理装置におけるバルブ制御部で用いられるＰＤ演算器を示す図である。 本発明の実施形態に係る基板処理装置における温度制御部で用いられるＰＩＤ演算器を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る基板処理装置における温度制御部とバルブ制御部及び制御バルブの関係を模式的に示す図である。 本発明の第４実施形態に係る基板処理装置における温度制御部とバルブ制御部及び制御バルブの関係を模式的に示す図である。 本発明の実施例１において、第３実施形態をステップＳ３に適用した図示例である。 図１２のＡを拡大した図である。 本発明の実施例１において、第３実施形態をステップＳ５に適用した図示例である。 本発明の実施例２において、第１実施形態及び第２実施形態をステップＳ５に適用した図示例である。 本発明の実施例１において、第３実施形態をステップＳ２に適用した図示例である。
　以下、本発明の一実施の形態を図面に即して説明する。
　本実施の形態において、図１及び図２に示されているように、本発明に係る基板処理装置１０は、半導体装置の製造方法における成膜工程を実施する処理装置１０として構成されている。
　図１に示された基板処理装置１０は、支持された縦形の反応管としてのプロセスチューブ１１を備えており、プロセスチューブ１１は互いに同心円に配置されたアウタチューブ１２とインナチューブ１３とから構成されている。アウタチューブ１２は石英（ＳｉＯ２）が使用されて、上端が閉塞し下端が開口した円筒形状に一体成形されている。インナチューブ１３は上下両端が開口した円筒形状に形成されている。インナチューブ１３の筒中空部は後記するボートが搬入される処理室１４を形成しており、インナチューブ１３の下端開口はボートを出し入れするための炉口１５を構成している。後述するように、ボート３１は複数枚のウエハを長く整列した状態で保持するように構成されている。したがって、インナチューブ１３の内径は取り扱うウエハ１の最大外径（例えば、直径３００ｍｍ）よりも大きくなるように設定されている。
　アウタチューブ１２とインナチューブ１３との間の下端部は、略円筒形状に構築されたマニホールド１６によって気密封止されている。アウタチューブ１２およびインナチューブ１３の交換等のために、マニホールド１６はアウタチューブ１２およびインナチューブ１３にそれぞれ着脱自在に取り付けられている。マニホールド１６がＣＶＤ装置の筐体２に支持されることによって、プロセスチューブ１１は垂直に据え付けられた状態になっている。以後、図では反応管１１としてアウタチューブ１２のみを示す場合もある。
　アウタチューブ１２とインナチューブ１３との隙間によって排気路１７が、横断面形状が一定幅の円形リング形状に構成されている。図１に示されているように、マニホールド１６の側壁の上部には排気管１８の一端が接続されており、排気管１８は排気路１７の最下端部に通じた状態になっている。排気管１８の他端には圧力コントローラ２１によって制御される排気装置１９が接続されており、排気管１８の途中には圧力センサ２０が接続されている。圧力コントローラ２１は圧力センサ２０からの測定結果に基づいて排気装置１９をフィードバック制御するように構成されている。
　マニホールド１６の下方にはガス導入管２２がインナチューブ１３の炉口１５に通じるように配設されており、ガス導入管２２には原料ガス供給装置および不活性ガス供給装置（以下、ガス供給装置という。）２３が接続されている。ガス供給装置２３はガス流量コントローラ２４によって制御されるように構成されている。ガス導入管２２から炉口１５に導入されたガスは、インナチューブ１３の処理室１４内を流通して排気路１７を通って排気管１８によって排気される。
　マニホールド１６には下端開口を閉塞するシールキャップ２５が垂直方向下側から接するようになっている。シールキャップ２５はマニホールド１６の外径と略等しい円盤形状に構築されており、筐体２の待機室３に設備されたボートエレベータ２６によって垂直方向に昇降されるように構成されている。ボートエレベータ２６はモータ駆動の送りねじ軸装置およびベローズ等によって構成されており、ボートエレベータ２６のモータ２７は駆動コントローラ２８によって制御されるように構成されている。シールキャップ２５の中心線上には回転軸３０が配置されて回転自在に支持されており、回転軸３０は駆動コントローラ２８によって制御されるモータとしての回転機構２９により回転駆動されるように構成されている。回転軸３０の上端にはボート３１が垂直に支持されている。
　ボート３１は上下で一対の端板３２、３３と、これらの間に垂直に架設された三本の保持部材３４とを備えており、三本の保持部材３４には多数の保持溝３５が長手方向に等間隔に刻まれている。三本の保持部材３４において同一の段に刻まれた保持溝３５同士は、互いに対向して開口するようになっている。ボート３１は三本の保持部材３４の同一段の保持溝３５間にウエハ１を挿入されることにより、複数枚のウエハ１を水平にかつ互いに中心を揃えた状態に整列させて保持するようになっている。ボート３１と回転軸３０との間には断熱キャップ部３６が配置されている。回転軸３０はボート３１をシールキャップ２５の上面から持ち上げた状態に支持することにより、ボート３１の下端を炉口１５の位置から適当な距離だけ離すように構成されている。断熱キャップ部３６は炉口１５の近傍を断熱するようになっている。
　反応管１１の外側には、縦置きの加熱装置としてのヒータユニット４０が同心円に配置されて、筐体２に支持された状態で設置されている。ヒータユニット４０はケース４１を備えている。ケース４１はステンレス鋼（ＳＵＳ）が使用されて上端閉塞で下端開口の筒形状、好ましくは円筒形状に形成されている。ケース４１の内径および全長はアウタチューブ１２の外径および全長よりも大きく設定されている。また、本実施の形態では、複数の制御ゾーンとして、ヒータユニット４０の上端側が下端側にかけて、七つの制御ゾーンＵ１、Ｕ２、ＣＵ、Ｃ、ＣＬ、Ｌ１、Ｌ２に分割されている。
ケース４１内には本発明の一実施の形態である断熱構造体４２が設置されている。本実施の形態に係る断熱構造体４２は、筒形状好ましくは円筒形状に形成されており、その円筒体の側壁部４３が複数層構造に形成されている。すなわち、断熱構造体４２は側壁部４３のうち外側に配置された側壁外層４５と、側壁部のうち内側に配置された側壁内層４４とを備え、側壁外層４５と側壁内層４４の間には、前記側壁部４３を上下方向で複数のゾーン(領域)に隔離する仕切部１０５と、該仕切部と隣り合う仕切部の間に設けられる環状バッファ１０６と、を備える。
また、ケース４１内には、各ゾーンに逆拡散防止部としてのチェックダンパ１０４が設けられている。この逆拡散防止体１０４ａの開閉により冷却エア９０がガス導入路１０７を介してバッファ部としての環状バッファ１０６に供給されるように構成されている。図示しないガス源から冷却エア９０が供給されないときには、この逆拡散防止体１０４ａが蓋となり、内部空間７５の雰囲気が逆流しないように構成されている。この逆拡散防止体１０４ａの開く圧力をゾーンに応じて変更するよう構成してもよい。また、側壁外層４５の外周面とケース４１の内周面との間は、金属の熱膨張を吸収するようにブランケットとしての断熱布１１１が設けられている。
そして、バッファ部１０６に供給された冷却エア９０は、図２では図示しない側壁内層４４内に設けられたガス供給流路１０８を流れ、該ガス供給流路１０８を含む供給経路の一部としての開口穴１１０から冷却エア９０を内部空間７５に供給するように構成されている。
　図１および図２に示されているように、断熱構造体４２の側壁部４３の上端側には天井部としての天井壁部８０が内側空間７５を閉じるように被せられている。天井壁部８０には内側空間７５の雰囲気を排気する排気経路の一部としての排気孔８１が環状に形成されており、排気孔８１の上流側端である下端は内側空間７５に通じている。排気孔８１の下流側端は排気ダクト８２に接続されている。
　次に、基板処理装置１０の動作について説明する。
　図１に示されているように、予め指定された枚数のウエハ１がボート３１に装填されると、ウエハ１群を保持したボート３１はシールキャップ２５がボートエレベータ２６によって上昇されることにより、インナチューブ１３の処理室１４に搬入（ボートローディング）されて行く。上限に達したシールキャップ２５はマニホールド１６に押接することにより、反応管１１の内部をシールした状態になる。ボート３１はシールキャップ２５に支持されたままの状態で処理室１４に存置される。
　続いて、反応管１１の内部が排気管１８によって排気される。また、温度コントローラ６４がシーケンス制御することで側壁発熱体５６によって反応管１１の内部が、目標温度に加熱される。プロセスチューブ１１の内部の実際の上昇温度と、温度コントローラ６４のシーケンス制御の目標温度との誤差は、熱電対６５の計測結果に基づくフィードバック制御によって補正される。また、ボート３１がモータ２９によって回転される。
　反応管１１の内圧および温度、ボート３１の回転が全体的に一定の安定した状態になると、反応管１１の処理室１４には原料ガスがガス供給装置２３によってガス導入管２２から導入される。ガス導入管２２によって導入された原料ガスは、インナチューブ１３の処理室１４内を流通して排気路１７を通って排気管１８によって排気される。処理室１４を流通する際に、原料ガスが所定の処理温度に加熱されたウエハ１に接触することによる熱ＣＶＤ反応により、ウエハ１に所定の膜が形成される。
　所定の処理時間が経過すると、処理ガスの導入が停止された後に、窒素ガス等のパージガスが反応管１１の内部にガス導入管２２から導入される。同時に、冷却ガスとしての冷却エア９０が吸気管１０１から逆拡散防止体１０４を介してガス導入路１０７に供給される。供給された冷却エア９０は環状ダクトとしての環状バッファ１０６内で一時的に溜められ、複数個の冷却ガス供給口としての開口穴１１０から冷却ガス通路１０８を介して内側空間７５に吹出す。そして、開口穴１１０から内側空間７５に吹き出した冷却エア９０は排気孔８１および排気ダクト８２によって排気される。
　以上の冷却エア９０の流れにより、ヒータユニット４０全体が強制的に冷却されるために、断熱構造体４２は反応管１１と共に大きいレート（速度）をもって急速に冷却されることになる。なお、内側空間７５は処理室１４から隔離されているために、冷却ガスとして冷却エア９０を使用することができる。しかし、冷却効果をより一層高めるためや、エア内の不純物による高温下での発熱体５６の腐蝕を防止するために、窒素ガス等の不活性ガスを冷却ガスとして使用してもよい。
　処理室１４の温度が所定の温度に下降すると、シールキャップ２５に支持されたボート３１はボートエレベータ２６によって下降されることにより、処理室１４から搬出（ボートアンローディング）される。
　以降、前記作用が繰り返されることにより、基板処理装置１０によってウエハ１に対する成膜処理が実施されて行く。
　次に、図３及び図４を用いて基板処理装置１０で行われる処理の一例について説明する。図４に記されている符号Ｓ１～Ｓ６は、図３の各ステップＳ１～Ｓ６が行われることを示している。
　ステップＳ１(待機ステップ)は、炉内の温度を比較的低い温度Ｔ０に安定させる処理である。ステップＳ１では、基板１８はまだ炉内に挿入されていない。
　ステップＳ２(ボートロードステップ)は、ボート３１に保持された基板１を炉内へ挿入する処理である。ボート３１および基板１の温度は、この時点で炉内の温度Ｔ０より低く、且つ、ボート３１に保持された基板１を炉内へ挿入した結果、炉外の雰囲気(室温)が炉内に導入されるため、炉内の温度は一時的にＴ０より低くなるが、後述する本実施形態におけるマルチクーリングユニットを利用した温度制御により炉内の温度は若干の時間を経て再び温度Ｔ０に安定する。
　ステップＳ３(昇温ステップ)は、温度Ｔ０から基板１に所定の処理を施すための目標温度Ｔ１まで、徐々に炉内の温度を上昇させる処理である。後述する本実施形態におけるクーリングユニットを利用した温度制御により、温度Ｔ０から目標温度Ｔ１まで炉内の温度を上昇させることにより、目標温度Ｔ１付近でのオーバシュートが低く抑えられる。
　ステップＳ４(処理ステップ)は、基板１に所定の処理を施すために炉内の温度を目標温度Ｔ１で維持して安定させる処理である。
　ステップＳ５(降温ステップ)は、処理終了後に温度Ｔ１から再び比較的低い温度Ｔ０まで徐々に炉内の温度を下降させる処理である。後述する本実施形態におけるクーリングユニットを利用した温度制御により、温度Ｔ１から温度Ｔ０まで炉内の温度を下降させることにより、ゾーン間の温度偏差を小さくすることができる。
　ステップＳ６(ボートアンロードステップ)は、処理が施された基板１をボート３１と共に炉内から引き出す処理である。ボート３１に保持された処理が施された基板１を炉内から引き出した結果、炉外の雰囲気(室温)が炉内に導入されるため、炉内の温度は一時的にＴ０より低くなる。炉内の温度は若干の時間を経て再び温度Ｔ０に安定し、ステップＳ１に移行する。尚、引き続き未処理の基板１を処理する場合、後述する本実施形態におけるクーリングユニットを利用した温度制御により炉内の温度を温度Ｔ０に安定させた方が良い。
　処理を施すべき未処理の基板１が残っている場合には、ボート３１上の処理済基板１が未処理の基板１と入れ替えられ、これらステップＳ１～Ｓ６の一連の処理が繰り返される。
　ステップＳ１～Ｓ６の処理は、いずれも目標温度に対し、炉内温度が予め定められた微小温度範囲にあり、且つ予め定められた時間だけその状態が続くといった安定状態を得た後、次のステップへ進むようになっている。あるいは、最近では、一定時間での基板１の処理枚数を大きくすることを目的として、ステップＳ１，Ｓ２，Ｓ５，Ｓ６等においては安定状態を得ずして次のステップへ移行することも行われている。
　図５は本実施形態におけるマルチクーリングユニットを表す図示例である。尚、アウタチューブ１２とインナチューブ１３を合わせて反応管１１と簡略化して示し、加熱装置４０に関する構成は省略されている。
図５に示すマルチクーリング構造は、複数のゾーン(Ｕ１，Ｕ２，ＣＵ，Ｃ，ＣＬ，Ｌ１，Ｌ２)毎に、炉内を冷却するガスとしての冷却エア９０を供給する吸気管１０１と、吸気管１０１に設けられ、ガスの流量を調整するコンダクタンスバルブとしての制御バルブ１０２と、反応管に向けてガスを噴出する複数の開口穴(急冷穴)１１０と、ゾーン毎に設けられた吸気管１０１と連通され、吸気管１０１から供給されたガスを一時的に溜める環状バッファ１０６と、を備えた構成となっている。各開口穴１１０は、環状バッファ１０６に溜められる冷却エア９０を側壁内層４４に設けられる冷却ガス通路１０８を介して内側空間７５に吹出すように構成されている。
各ゾーンのゾーン長の比率に応じて吸気管１０１に導入される冷却エア９０の流量を設定し、制御バルブ１０２を開閉させることにより、開口穴１１０から反応管１１に向けて噴出されるガスの流量及び流速を調整するよう構成されている。また、制御バルブ１０２は、反応管１０１内の構成物に応じて図示しない温度コントローラによりバルブの開度が調整されることにより、各ゾーンに導入される冷却エアの流量及び流速を変更することができる。
また、吸気管１０１には、処理室１４からの雰囲気の逆拡散を防止する逆拡散防止体(チェックダンパ)１０４が設けられている。この逆拡散防止体１０４は、内側空間７５の上側に排気口８１から排気されるため、環状バッファ１０６に冷却エア９０を効率よく溜めるように各ゾーンに設けられた環状バッファ１０６の下側に連通されるように構成されている。急冷未使用時は、吸気管１０１と断熱構造体４２との間の対流を防止している。
また、吸気管１０１には、開口穴１１０から噴出する冷却エア９０の流量を抑制するオリフィスとしての絞り部１０３が設けられるよう構成されている。但し、この絞り部１０３は、必要に応じてゾーン毎に設けられる。
ゾーン毎に設けられる吸気管１０１の流路断面積及び環状バッファ１０６の流路断面積は、ゾーン毎に設けられる開口穴１１０の断面積の合計より大きく構成される。また、ボート３１に載置される製品ウエハがある領域ＡＲの最上段と略同じ高さから製品ウエハがある領域ＡＲの最下段までの各ゾーン(例えば、図５では、Ｕ２，ＣＵ，Ｃ，ＣＬ，Ｌ１)に吹出される冷却エア９０の流量及び流速が均等になるように開口穴１１０が設けられている。具体的には、開口穴１１０は、ゾーン内で周方向及び上下方向に同じ間隔で設けられ、環状バッファ１０６に溜められる冷却エア９０を側壁内層４４に設けられる冷却ガス通路１０８を介して内側空間７５に吹出すように構成されている。
複数の制御ゾーン(本実施形態では、Ｕ１，Ｕ２，ＣＵ，Ｃ，ＣＬ，Ｌ１，Ｌ２)を有する加熱装置４０に使用される断熱構造体４２は、円筒形状に形成された側壁部４３を有し、該側壁部４３が複数層構造に形成されており、側壁部４３を上下方向で複数の冷却ゾーン(Ｕ１，Ｕ２，ＣＵ，Ｃ，ＣＬ，Ｌ１，Ｌ２)に隔離する仕切部１０５と、側壁内層４４と側壁外層４５の間の円筒状の空間であって、上下方向で隣り合う仕切部１０５間の空間で構成された環状バッファ１０６と、冷却ゾーン毎に側壁部４３の複数層のうちの外側に配置された側壁外層４５に設けられ、環状バッファ１０６と連通するガス導入路１０７と、ゾーン毎に側壁部４３の複数層のうちの内側に配置された側壁内層４４に設けられ、環状バッファ１０６と連通する冷却ガス通路１０８と、側壁内層４４の内側に設けられる空間７５と、冷却ゾーン毎に冷却ガス通路１０８から空間７５へ冷却エア９０を吹出すように、側壁内層４４の周方向及び上下方向に同じ間隔で設けられる開口穴１１０と、を備えた構成である。
ガス導入路１０７は、環状バッファ１０６の下側に連通されるように形成され、開口穴１１０は、ガス導入路１０７と対向する位置を避けるように設けられる。また、開口穴１１０から吹出された冷却エア９０がここでは図示しない発熱体５６を避けるように配置されているのは言うまでもない。
また、本実施形態では、制御ゾーンの数と冷却ゾーンの数が一致するように仕切部１０５が配置されるよう構成されている。この形態に限定されることなく制御ゾーンの数と冷却ゾーンの数が任意に設定される。
　図５に示すように、Ｕ１ゾーンとＬ２ゾーンに対向するプロセスチューブ１１内の構造物は、Ｕ１ゾーンは空間(天井空間部)であり、断熱キャップ部３６を含む断熱領域であり、領域ＡＲと異なるため、実際には、Ｕ１ゾーンとＬ２ゾーンに対向する反応管１１の冷却が均等でない可能性がある。但し、Ｕ１ゾーンとＵ２ゾーンの境目及びＬ１ゾーンとＬ２ゾーンの境目に対応する反応管１１内には、いわゆるサイドダミーウエハと呼ばれる温度調整の為に用いられるダミーウエハがボート３１に載置されている。よって、反応管１１の冷却の不均一における製品となるウエハ１８への温度に及ぼす影響を低減することができる。
　図６に示すように、制御部としての制御用コンピュータ２００は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｅｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）２０１およびメモリ２０２などを含むコンピュータ本体２０３と、通信部としての通信ＩＦ（Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）２０４と、記憶部としての記憶装置２０５と、操作部としての表示・入力装置２０６とを有する。つまり、制御用コンピュータ２００は一般的なコンピュータとしての構成部分を含んでいる。
　ＣＰＵ２０１は、操作部の中枢を構成し、記憶装置２０５に記憶された制御プログラムを実行し、操作部２０６からの指示に従って、記憶装置２０５に記録されているレシピ（例えば、プロセス用レシピ）を実行する。
　また、ＣＰＵ２０１の動作プログラム等を記憶する記録媒体２０７として、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ　Ｅｒａｓａｂｌｅ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ハードディスク等が用いられる。ここで、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）は、ＣＰＵのワークエリアなどとして機能する。
通信部２０４は、圧力コントローラ２１、ガス流量コントローラ２４、駆動コントローラ２８、温度コントローラ６４(これらをまとめてサブコントローラということもある)と電気的に接続され、各部品の動作に関するデータをやり取りすることができる。また、後述するバルブ制御部３００とも電気的に接続され、マルチクーリングユニットを制御するためのデータのやり取りをすることができる。
　本発明の実施形態において、制御用コンピュータ２００を例に挙げて説明したが、これに限らず、通常のコンピュータシステムを用いて実現可能である。例えば、汎用コンピュータに、上述の処理を実行するためのプログラムを格納したＣＤＲＯＭ、ＵＳＢ等の記録媒体２０７から当該プログラムをインストールすることにより、上述の処理を実行することもできる。また、通信回線、通信ネットワーク、通信システム等の通信ＩＦ２０４を用いてもよい。この場合、例えば、通信ネットワークの掲示板に当該プログラムを掲示し、これをネットワークを介して搬送波に重畳して提供してもよい。そして、このように提供されたプログラムを起動し、ＯＳ（Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ）の制御下で、他のアプリケーションプログラムと同様に実行することにより、上述の処理を実行することができる。
　本実施形態におけるクーリングユニットの構造は、特にゾーンに制御バルブ１０２を設け、急冷時における顧客工場施設排気の変動あるいは部品単体のバラツキ、装置への設置具合によって生じる装置間機差を低減させる構成となっている。更に、制御バルブ１０２の開度により供給される流量などを調整することにより冷却能力を調整することができる。例えば、図７に示すように、制御バルブ１０２の開度と冷却能力の関係が予め求められており、開度５０％で冷却能力８７％ということが分かっている。尚、図７の横軸が冷却能力(単位％)で、縦軸が制御バルブ１０２の開度(単位％)である。
降温ステップでは、開度１００％(冷却能力１００％)とすることが多いが、例えば、ステップＳ５の降温ステップで設定されたレートに沿って降温する場合、または、図３におけるステップＳ３の昇温ステップとステップＳ４の成膜ステップとの間に必ず発生するオーバシュートを安定化させる場合等、従来の温度制御に加えて制御バルブ１０２の開度による冷却能力の制御が必要となる。
　以下、本実施形態におけるクーリングユニットを用いた温度制御に関して説明する。つまり、本実施形態における温度制御とバルブ開度制御について説明する。尚、本実施形態におけるクーリングユニットを用いた第１の制御方式のことを第１実施形態と称する。
（第１実施形態）　各ゾーン導入される排気風量と降温レートの相関図を予め実測しておき、導き出された関係式により、導入される冷却エア９０の風量を設定する。制御バルブ１０２の開度を固定することでゾーン毎に予め一定の流量を供給し、ある設定された目的とする降温レートを得ることができる。安価で且つ単純な方法で降温レートを得ることができるが、装置構成及び装置環境(例えば、装置間機差が発生しやすい、または部品によるバラツキ、工場の排気設備)に大きく影響を受ける為、装置信頼性が低い。
　また、第１実施形態における冷却エア９０の排気風量を固定する方法は、排気風量と降温レートの相関を実際に測定する為、堅実ではあるが時間と手間がかかり、結局、基板処理装置１０の立上げが大幅に遅れてしまう可能性が高い。
（第２実施形態）　図８には、説明のため制御バルブ１０２を一つしか表示していないが、他のゾーンについても同様な制御バルブ１０２が設けられており、それぞれのゾーンで異なる開度にすることができる。また、導入される冷却ガスもゾーン毎に供給される。また、本実施例における制御は、図３に示す降温ステップＳ５の時に行われる制御である。
本実施形態におけるヒータユニット４０は、降温ステップＳ５において、ヒータパワーが常時０％であるため、ヒータパワー算出方法については記載を省略する。ここでは、制御バルブ１０２の開度を算出する制御について記載する。本実施形態における制御バルブ１０２の開度を算出する制御は、基準ゾーンと基準ゾーン以外で異なる。
図８Ａを用いて最初に基準ゾーンの制御バルブ１０２の制御について記述する。図８Ａに示す基準設定値算出器３０１は、制御部２００で設定される前回設定値と、今回設定値、及び基準ランプレートから基準設定値を算出する。基準設定値を算出する式は以下となる。(１)ランピング温度偏差 ＝ 今回設定値 － 前回設定値(２)ランピング時間 ＝ ランピング温度偏差 / 基準ランプレート(３)基準設定値 ＝  前回設定値 ＋ (ランピング温度偏差) × [ 1- ｅｘｐ{ 経過時間 /(ランピング時間/時定数) } ]
減算器３０２は、上式で求められた基準設定値Ｂｓと基準ゾーンに設定された基準ゾーンの熱電対６６の温度Ｂａを減算した結果を偏差Ｂｄとして算出し、制御バルブ算出用ＰＤ演算器３０３へ出力するものである。
制御バルブ算出用ＰＤ演算器について図９Ａに基づいて説明する。制御バルブＰＤ演算器は、加算器３１１と比例演算３１２と微分演算３１３とから構成される。比例演算器４２は偏差Ｉを入力し、予め設定されているパラメータＫｐを乗じた（Ｐ演算）値を比例値Оとして出力するものである。ある特定時間ｔにおける偏差ＩをＩ(ｔ)、そのときの比例値ОをО(ｔ)で表すと、比例値Оは次式に従って求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 微分演算器４３は、偏差Ｉを入力し、偏差Ｉを時間微分演算（Ｄ演算）した結果に予め設定されているパラメータＫｄを乗じた値を微分値Ｒとして出力するものである。ある特定の時間ｔにおける偏差ＩをＩ(ｔ)、そのときの微分値ＲをＲ(ｔ)で表すとすると、微分値Ｒは次式に従って求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 加算器５１は比例値Оと微分値Ｒを入力し、それらの総和を算出し操作量Ｍを出力するものである。ある特定の時間tにおける偏差ＩをＩ(ｔ)、そのときの操作量ＭをＭ(ｔ)で表すとすると、前述した（１）式、（２）式から制御バルブ１０２の操作量Ｍは次式に従って求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
図８Ａに示す制御部２００からバルブ制御部３００へ前回設定値、今回設定値、基準ランプレートが入力され基準設定値算出器３０１で基準設定値Ｂｓが算出され、加えて基準ゾーンの熱電対温度Ｂａが入力され、バルブ制御３００内の減算器３０２では基準ゾーンの熱電対温度Ｂａから基準設定値Ｂｓを減算した偏差Ｂｄが出力され、制御バルブ用ＰＤ演算器３０３では、偏差Ｂｄを用いてＰＤ演算され、操作量Ｘが決定される。この操作量Ｘは開度変換器３０４によって開度Ｘ’に変換され、制御バルブ１０２の開度が変更される。そして基準ゾーンの熱電対６６から読み取った温度Ｂａは再びバルブ制御３００に帰還される。このように基準ゾーンの熱電対温度Ｂａを、基準設定値Ｂｓとの偏差Ｂｄが零になるように制御バルブ１０２の開度を時々刻々と変化させている。
　次に、図８Ｂを用いて基準ゾーン以外の制御バルブ１０２について説明する。図８Ｂに示すように減算器３０２は基準ゾーン以外の温度Ｔａから基準ゾーンの熱電対温度Ｂａを減算した結果を偏差Ｔｄとして算出し、制御バルブ算出用ＰＤ演算器３０３へ出力するものである。ＰＤ演算器については上述した通りであり、内容は同じであるため説明は省略する。
図８Ｂに示すように、まず、基準ゾーンの熱電対温度Ｂａが入力され、加えて基準ゾーン以外の熱電対温度Ｔａが入力され、バルブ制御部３００内の減算器３０２では、基準ゾーン以外の温度Ｔａから基準ゾーンの熱電対温度Ｂａを減算した偏差Ｔｄが出力され、制御バルブ用ＰＤ演算器３０３では、偏差Ｔｄを用いてＰＤ演算され、操作量Ｘが決定される。この操作量Ｘは、開度変換器３０４によって開度Ｘ’に変換され、制御バルブ１０２の開度が変更される。そして、基準ゾーンの熱電対６６及び基準ゾーン以外の熱電対６５から読み取った温度Ｂａ及び温度Ｔａは再びバルブ制御部３００に帰還される。このように基準ゾーン以外の熱電対温度を、基準ゾーンの熱電対温度Ｂａとの偏差Ｔｄが零になるように、制御バルブ１０２の開度を時々刻々と変化させている。
第２実施形態によれば、以下の効果のうち少なくとも一つ以上の効果が期待できる。
（ａ)基準ゾーン以外の温度は目標値としてあるゾーン、基準ゾーンと温度偏差を零になるよう制御バルブ１０２の開度を制御することで、ゾーン間偏差の低減が可能となる。（ｂ）基準ゾーンは前述の設定値から算出される基準設定値との偏差が零になるように制御バルブ１０２を制御することで、工場施設の排気能力の変動等で複数装置間の機差、あるいは経時変化が発生した場合でも、常に一定の基準設定値を設けることで、基準ゾーン温度の再現性を向上させることができる。（ｃ）全ゾーンを基準設定値との偏差が零になるように制御バルブ１０２を制御することも考えられるが、例えば、ある一つのゾーンが基準設定値に追従できない場合、ゾーン間偏差が悪化してしまう可能性がある。従い、本実施形態のように基準ゾーンのみ基準設定値に追従するよう制御することで、仮に基準ゾーンの温度が基準設定値に追従できない場合でも基準ゾーン以外は基準ゾーン温度に対して零になるよう制御する為、ゾーン間の偏差が悪化する事を回避できる。
（第３実施形態）　図１０には、説明のため制御バルブ１０２を一つしか表示していないが、本実施例における制御を他のゾーンについても実施しており、また、それぞれのゾーンで異なる開度にすることができる。また、導入される冷却ガス(冷却エア)９０もゾーン毎に供給される。
ヒータパワーを算出する演算は従来通りに実施している。つまり、減算器２１は上位コントローラで設定される設定値Ｓと制御量Ａを減算した結果を偏差Ｄとして算出し、ＰＩＤ演算器２２へ出力するものである。
ここで、ＰＩＤ演算器について図９Ｂに基づいて説明する。ＰＩＤ演算器は、加算器３３１と積分演算３３２と比例演算３３３と微分演算３３４とから構成される。積分演算３３２は偏差Ｉを入力し、偏差Ｉを時間積分演算（Ｉ演算）した結果に予め設定されているパラメータＫｉを乗じた値を積分値Ｎとして出力するものである。ある特定の時間ｔにおける偏差ＩをＩ(ｔ)、そのときの積分値ＮをＮ(ｔ)で表すとすると、積分値Ｎは次式に従って求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 比例演算器３３３は偏差Ｉを入力し、予め設定されているパラメータＫpを乗じた（Ｐ演算）値を比例値Оとして出力するものである。ある特定時間ｔにおける偏差ＩをＩ(ｔ)、そのときの比例値ОをО(ｔ)で表すと、比例値Оは次式に従って求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 微分演算器３３４は、偏差Ｉを入力し、偏差Ｉを時間微分演算（Ｄ演算）した結果に予め設定されているパラメータＫｄを乗じた値を微分値Ｒとして出力するものである。ある特定の時間tにおける偏差ＩをＩ(ｔ)、そのときの微分値ＲをＲ(ｔ)で表すとすると、微分値Ｒは次式に従って求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 加算器３３１は積分値Ｎと比例値Оと微分値Ｒを入力し、それらの総和を算出し操作量Ｍを出力するものである。ある特定の時間ｔにおける偏差ＩをＩ(ｔ)、そのときの操作量ＭをＭ(ｔ)で表すとすると、前述した（４）式、（５）式、（６）式から操作量Ｍは次式に従って求められ、これをＰＩＤ演算と呼ぶ。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
図１０で示すように、まず、制御部２００から温度制御部６４へ目標値Ｓが入力され、加えてカスケード熱電対６５からの制御量Ａが入力され、温度制御部６４内の減算器３２１では目標値Ｓから制御量Ａを減算した偏差Ｄが出力され、ＰＩＤ演算器３２２では、偏差Ｄを用いてＰＩＤ演算され、操作量Ｘが決定される。この操作量Ｘは図示しない変換器により目標値Ｗに変換され、この目標値Ｗとヒータ熱電対からの制御量Ｂが減算器３２３に入力され、減算器３２３では目標値Ｗから制御量Ｂを減算した偏差Ｅが出力され、ＰＩＤ演算器３２４では偏差Ｅを用いてＰＩＤ演算され、温度制御部６４の出力として操作量Ｚが出力され、ヒータユニット４０に入力される。そしてヒータユニット４０から出力された制御量Ａ、Ｂは再び温度制御部６４に帰還される。このように温度制御部６４から出力される操作量Ｚを、目標値Ｓと制御量Ａとの偏差Ｄが零になるように時々刻々と変化させている。このような制御方式をＰＩＤ制御と呼ぶ。
制御バルブ１０２の開度を算出する制御について記載する。減算器３０２は制御部２００で設定されるＰＯＷＥＲ設定値Ｚｓと温度制御部６４において算出される操作量Ｚを減算した結果を偏差Ｚｄとして算出し、制御バルブ算出用ＰＤ演算器３０３へ出力するものである。
図１０で示すように、まず、制御部２００からバルブ制御部３００へＰｏｗｅｒ目標値Ｚｓが入力され、加えてヒータパワー操作量Ｚが入力され、バルブ制御部３００内の減算器３０２ではＰｏｗｅｒ目標値Ｚｓからヒータパワー操作量Ｚを減算した偏差Ｚｄが出力され、制御バルブ用ＰＤ演算器３０３では、偏差Ｚｄを用いてＰＤ演算され、操作量Ｘが決定される。この操作量Ｘは開度変換器３０４によって開度Ｘ’に変換され、制御バルブ１０２の開度が変更される。
そしてヒータユニット４０から出力されたヒータパワー操作量Ｚは再びバルブ制御部３００に帰還される。このように温度制御部６４から出力されるヒータパワー操作量Ｚを、ヒータパワー目標値Ｚｓとの偏差Ｚｄが零になるように制御バルブ１０２の開度を時々刻々と変化させている。
第３実施形態によれば、以下の効果のうち少なくとも一つ以上の効果が期待できる。
（ｄ)ゾーン毎の冷却能力を偏差させる手段として開度を調整できるコンダクタンスバルブをゾーン毎に設置し、コンダクタンスバルブを処理室の状況に応じて可変させる事で、ゾーン毎に冷却能力を変化させることによって、ゾーン間温度偏差の改善を実現する。（ｅ)顧客工場施設排気の変動あるいは部品単体のバラツキ、装置への設置具合によって生じる装置間機差をコンダクタンスバルブの制御により吸収し、低減することができる。（ｆ)空冷による急冷時における反応管内の構造によるゾーン毎の降温速度の差から生じるヒータパワーの過剰出力をコンダクタンスバルブの制御により冷却能力を変化させることで低減することができ、省エネ効果が期待できる。（ｇ)温度リカバリ時、温度安定時においてゾーン毎の空冷により過剰熱量による温度オーバシュートを迅速に解消することができる。（ｈ)温度リカバリ時の温度安定時間の短縮により、温度安定性向上が期待できる。
(第４実施形態)　ヒータパワーを算出する演算は従来通りに実施している。減算器３２１は制御部２００で設定される偏差目標値Ｄｓと前述の温度制御部６４において算出される偏差Ｄを減算した結果を偏差Ｄｄとして算出し、制御バルブ算出用ＰＤ演算器３０３へ出力するものである。尚、ＰＤ演算器３０３の動作説明は既に上述したので省略する。
図１１で示すように、まず、制御部２００からバルブ制御部３００へ偏差目標値Ｄｓが入力され、加えて偏差Ｄが入力され、バルブ制御部３００内の減算器３０２では偏差Ｄから偏差目標値Ｄｓを減算した偏差Ｄｄが出力され、制御バルブ用ＰＤ演算器３０３では、偏差Ｄｄを用いてＰＤ演算され、操作量Ｘが決定される。この操作量Ｘは開度変換器３０４によって開度Ｘ’に変換され、制御バルブ１０２の開度が変更される。
そして温度制御部６４で算出される偏差Ｄは再びバルブ制御部３００に帰還される。このように温度制御部６４で差出される偏差Ｄと、偏差目標値Ｄｓとの偏差Ｄｄが零になるように制御バルブ１０２の開度を時々刻々と変化させている。
第４実施形態は、実質的に第３実施形態と同様の制御を行っているので、第３実施形態と同様の効果(上述した(ｄ)乃至(ｈ)のうち少なくとも一つ以上の効果)を奏する。但し、実施例４の場合、偏差Ｄ(例えば、オーバシュート)が発生しないと制御バルブ１０２の開度を開いて冷却しないため、操作量Ｚをトリガにして制御バルブ１０２の開度を調整する実施例３が好ましい。
次に第１実施形態乃至第４実施形態を図３に示すフローチャートに適用した例を以下に示す。
（実施例１）    　昇温ステップＳ３に第３実施形態、降温ステップＳ５に第３実施形態を使用する。また、昇温ステップＳ３と降温ステップＳ５のうち少なくともどちらか一つのステップを第４実施形態に変えてもよい。
　昇温ステップＳ３では、温度制御部６４は、従来のＰＩＤ制御により、熱電対６５が目標温度Ｔ１となるように操作量Ｚを制御するよう構成されている。そして、この操作量Ｚと制御部２００からの設定操作量Ｚｓとの偏差Ｚｄがゼロとなるようにバルブ制御部３００がＰＤ制御するよう構成されている。これにより、制御バルブ１０２の開度を調整され、冷却能力が制御される。ここで、Ｉ動作(積分動作)を無くすと通常オフセットが発生し、設定値との偏差が一定の値となったまま一致しないことがある一方、Ｉ動作により設定値と一致するが遅れ時間が発生する。本実施形態(第３実施形態及び第４実施形態)によれば、従来のヒータユニット４０によるヒータ制御でＩ動作を含むＰＩＤ演算によりパワー値(操作量Ｚ)は制御しているため、マルチクーリングユニットでの制御ではＩ動作は省略している。
　このとき、パワー値が目標パワー値以下の状態は、昇温能力(パワー値)が冷却能力(制御バルブ１０２開度)よりも大きい状態となっており、バルブ制御３００は、冷却能力不足と判断して、制御バルブ１０２の開度を大きくして冷却能力を強くし、パワー出力を大きくする方向に制御するよう構成されている。逆に、パワー値が目標パワー値以上の状態は、昇温能力(パワー値)が冷却能力(制御バルブ１０２開度)より小さい状態となっており、バルブ制御３００は、冷却能力過剰と判断して、制御バルブ１０２の開度を小さくして冷却能力を弱くし、パワー出力を小さくする方向に制御するよう構成されている。
ここで、近年、生産性向上のため可能な限り昇温レートを大きくする要求が高まってきている。単純にヒータユニット４０のパワーを大きくすると昇温レートは維持できるが、昇温レートが大きくなるとオーバシュートの振幅も大きくなり、従来のヒータユニット４０のみの制御では、これを収束させるのに時間がかかる。従い、目標とする温度にある程度収束すると次のステップに進んでいる。
　本実施例によれば、昇温レートが大きい場合でも昇温中にクーリングユニットによる冷却を行っている。例えば、温度が昇温レートから上側にずれると、パワー値(操作量Ｚ)は小さくなり、パワー値が目標パワー値以下の状態となるため、バルブ制御３００は、制御バルブ１０２の開度を大きくして冷却能力を強くし、反対に、温度が昇温レートから下側にずれると、操作量Ｚは大きくなり、パワー値が目標パワー値以上の状態となるため、バルブ制御部３００は、制御バルブ１０２の開度を小さくして冷却能力を弱める。このように、ヒータユニット４０による加熱とクーリングユニットによる冷却を並行することにより、昇温レートに追従させているため、昇温レートが大きくてもオーバシュートの抑制が可能である。よって、昇温ステップＳ３から成膜ステップＳ４への移行時の温度リカバリ時間や温度安定性を向上させることができる。
　そして、昇温ステップＳ３と成膜ステップＳ４の境界において、オーバシュートが発生すると、パワー値(操作量Ｚ)は小さくなり、パワー値が目標パワー値以下の状態となるため、バルブ制御３００は、制御バルブ１０２の開度を大きくして冷却能力を強くするので、従来のヒータ制御と比較して目標温度Ｔ１に近づけることができる。反対に、目標温度Ｔ１以下になると、反対にパワー値(操作量Ｚ)が大きくなるため、バルブ制御部３００は、制御バルブ１０２の開度を小さくするので、目標温度Ｔ１に近づけることができる。このような動作が繰り返され目標温度Ｔ１に収束される。
　この制御バルブ３００の制御(クーリングユニットによるアシスト)により温度リカバリの時間が短縮される。また、これまでのヒータユニット４０の温度制御のみの場合と比較して、昇温ステップＳ３から成膜ステップＳ４への移行時の温度安定化を各段に向上させることができる。
　そして成膜ステップＳ４で基板１に所定の処理が施された後、また、降温ステップＳ５で、目標温度Ｔ０に降温される。
　降温ステップＳ５で、昇温ステップＳ３と同様に、温度制御部６４は、従来のＰＩＤ制御により、熱電対６５が目標温度Ｔ０となるように操作量Ｚを制御するよう構成されている。そして、この操作量Ｚと制御部２００からの設定操作量Ｚｓとの偏差Ｚｄがゼロとなるようにバルブ制御部３００がＰＤ制御するよう構成されている。これにより、制御バルブ１０２の開度を調整され、冷却能力が制御される。
　降温ステップＳ５では、温度Ｔ１から温度Ｔ０まで低下させるため操作量Ｚは小さく設定される。これにより、バルブ制御部３００は、制御バルブ１０２の開度を大きくして冷却能力を強くする。一方、冷却能力を大きくし過ぎて、温度が降温レートより下側になると、操作量Ｚは大きく設定される。そうすると、バルブ制御部３００は、制御バルブ１０２の開度を小さくして冷却能力を弱める。このようなヒータユニット４０による加熱とバルブ制御部３００による冷却を繰返しつつ予め設定された降温レートに追従することができる。このように、バルブ制御部３００の制御(クーリングユニットによるアシスト)により、これまでのヒータ制御のみの場合と比較して、格段に降温時のゾーン間温度偏差の改善、省エネが期待できる。
　尚、第３実施形態に変えて第４実施形態であっても、パワー値(操作量Ｚ)が偏差Ｄｄに変更するだけで同様であるので説明は省略する。
（実施例２）昇温ステップＳ３に第３実施形態、降温ステップＳ５に第２実施形態を使用する。また、昇温ステップＳ３を第４実施形態に変えてもよく、また、降温ステップＳ５を第１実施形態に変えてもよい。このように第１実施形態乃至第４実施形態の組合せは任意に設定できる。
　昇温ステップＳ３については実施例１と同様であるので説明は省略する。そしてステップＳ４で基板１に所定の処理が施された後、降温ステップＳ５で、温度Ｔ１目標温度Ｔ０に降温される。実施例２では、降温ステップＳ５でのヒータユニット４０のパワーは常に０％として、急速に降温させることによりスループット向上(生産性向上)を図っている。
　降温ステップＳ５において、バルブ制御部２００は、予め設定された基準ゾーンの実測温度Ｂａに基づいて制御される。具体的には、基準ゾーンに関して、制御部２００からバルブ制御部３００へ前回設定値Ｔ１、今回設定値Ｔ０、基準ランプレートが入力され基準設定値算出器３０１で基準設定値Ｂｓが算出される。バルブ制御３００内の減算器３０２では、基準ゾーンの熱電対温度Ｂａが入力され、基準ゾーンの熱電対温度Ｂａから基準設定値Ｂｓを減算した偏差Ｂｄが出力される。制御バルブ用ＰＤ演算器３０３では、偏差Ｂｄを用いてＰＤ演算され、操作量Ｘが決定されるよう構成されている。この操作量Ｘが変換されて開度Ｘ’となり、制御バルブ１０２の開度が調整されるよう構成されている。
　一方、基準ゾーン以外のゾーンに関して、バルブ制御部３００内の減算器３０２では、基準ゾーンの熱電対温度Ｂａが入力され、加えて基準ゾーン以外の熱電対温度Ｔａが入力され、基準ゾーン以外の温度Ｔａから基準ゾーンの熱電対温度Ｂａを減算した偏差Ｔｄが出力されるよう構成されている。制御バルブ用ＰＤ演算器３０３では、偏差Ｔｄを用いてＰＤ演算され、操作量Ｘが決定されるよう構成されている。この操作量Ｘが変換されて開度Ｘ’となり、制御バルブ１０２の開度が調整されるよう構成されている。
　このように、基準ゾーンのみ基準設定値に追従するよう制御することで、仮に基準ゾーンの温度が基準設定値に追従できない場合でも基準ゾーン以外は基準ゾーン温度に対して零になるよう制御する為、ゾーン間の偏差が悪化する事を回避できる。
　次に、図１２乃至図１５により上述の実施例について検証を行った結果について説明する。以下、温度偏差は、複数の制御ゾーンで測定された温度の最大値と最小値の差(最大値―最小値の値)を示すものとする。
先ず、図１２及び図１３は、上述した実施形態３におけるクーリングユニットを利用した温度制御による効果を昇温ステップ(ステップＳ３)に適用した図示例であり、昇温ステップ(ステップＳ３)での炉内の温度変化を比較例(クーリングユニット無し)と上述した実施形態３とで比較した時の図である。
　図１２では、昇温ステップ(ステップＳ３)の開始から処理ステップ(ステップＳ４)に移行するまでの温度推移を、複数の制御ゾーンのうち、ＣＵゾーンの温度で例示している。図１２に示す横軸が時間(単位分)、縦軸が温度(単位℃)となっており、昇温ステップ(ステップＳ３)の開始時間を０分で示している。また、図１２では、昇温ステップ(ステップＳ３)から処理ステップ(ステップＳ４)に移行するまでのゾーン間の温度偏差を点線で示し、５００℃(待機温度Ｔ０)から６５０℃(目標温度Ｔ１)まで、レート１０℃/分で昇温させたときの炉内の温度変化を実線で示している。
本実施の形態によれば、昇温ステップ(ステップＳ３)の開始から１５(＝(６５０－５００)/１０)分までは、実施形態３によるクーリングユニット１００を用いた温度制御を行っているにもかかわらず、クーリングユニット１００を用いない通常の温度制御(図１２では比較例と称する)との違いが明確に示されていない。特に、炉内の温度変化は、比較例と本発明がほぼ全体的に重なっており、見分けできない。
図１３は、昇温ステップ(ステップＳ３)から処理ステップ(ステップＳ４)に移行する部分(図１２のＡ)を拡大した図である。ここで、図１３は、昇温ステップ(ステップＳ３)の開始から１５分以降の炉内の温度変化を示しているが、この１５分という時間は、加熱装置４０での加熱とクーリングユニット１００による冷却の両方を利用して温度制御を行った時間である。
　図１３によれば、比較例でのオーバシュートが２℃であり、上下限値１℃内に安定する時間が昇温ステップ(ステップＳ３)の開始から大凡２１分であるのに対して、本実施形態におけるクーリングユニット１００を利用した温度制御(実施形態３)でのオーバシュートが０．５℃であり、上下限値１℃内に安定するまでの時間が大凡１７分であった。このように比較例よりも温度安定性が格段に向上している。
また、１７分は、５００℃から６５０℃まで昇温させるときに６４９℃(目標温度―下限値)に炉内の温度(ＣＵゾーンの温度)が到達した時間であり、実施形態３において、６４９℃に到達した後、上下限値(１℃)の範囲に収束している。このように、実施形態３によれば、予め昇温時に比較例よりも温度制御性が格段に向上している。
更に、図１３に示すように、昇温時に上下限値の範囲内に炉内の温度(ＣＵゾーンの温度)が到達する前に、実施形態３による温度制御が終了しているため、結果として過加熱が抑制されている。一方、比較例では、オーバシュートが発生し、ＣＵゾーンの温度が上下限値の範囲内に収束するのに時間がかかる。
　このように、昇温ステップ(ステップＳ３)において、実施形態３では加熱装置４０での加熱とクーリングユニット１００による冷却の両方を利用して所定のレート(この場合、１０℃/分)に沿うように制御しているので、比較例(クーリングユニット無し)よりも上下限値に収束する時間を短縮することができる。更に、実施形態３によれば、オーバシュートしても温度を上下限値内に収めることができる。よって、比較例よりも次の処理ステップ(ステップＳ４)に早く移行することができ、スループットを向上させることができる。
図１４は、上述した実施形態３におけるクーリングユニット１００を利用した温度制御を降温ステップ(ステップＳ５)に適用した図示例であり、降温ステップ(ステップＳ５)での炉内の温度変化を比較例(バルブ１００％開度固定)と実施形態３(バルブ開度制御有)とで比較した時の図である。
　図１４では、降温ステップ(ステップＳ５)から次のステップ(ステップＳ６)に移行する前までの温度推移を、全ゾーンの熱電対で測定した炉内温度の平均温度で示している。図１４に示す横軸が時間(単位分)、縦軸が温度(単位℃)となっており、特に、左側の縦軸は炉内の温度であり、右側の縦軸は温度偏差である。尚、比較例としてクーリングユニット無しで比較すべきであるが、冷却無し(加熱装置４０の電力オフのみ)の場合、レート１０℃/分で降温できないため、バルブ固定(開度１００％)を比較例として、実施形態３(バルブの開度を制御)と比較した。
　図１４は、降温ステップ(ステップＳ５)から次のステップ(ステップＳ６)に移行する前までのゾーン間の温度偏差を点線で示したものであり、全ゾーンの平均温度の温度変化を実線で示したものである。図１４に示すように、８００℃から４００℃まで、レート１０℃/分で降温させたときの炉内の温度変化を示している。この温度変化は、全ゾーンの熱電対で測定した炉内温度の平均温度で示される。そして、この炉内の温度変化及びゾーン間の温度偏差は、比較例と実施形態３において、ほぼ同等である。
しかしながら、比較例は、ヒータパワーを加えて加熱装置４０で加熱して、レート１０℃/分に降温を遅らせるよう調整している。一方、実施形態３では、冷却エア９０により冷却と加熱装置４０による加熱の両方を調整している。よって、ヒータパワーのみで降温レート(１０℃/分)を制御する比較例よりも省エネルギー化を実現できる。
図１５は、上述した実施形態１及び実施形態２におけるクーリングユニット１００を利用した温度制御を降温ステップ(ステップＳ５)に適用した図示例であり、降温ステップ(ステップＳ５)での炉内の温度変化を比較例(バルブ１００％開固定)と実施形態１(バルブ開度を冷却ゾーン毎に固定)及び実施形態２(バルブ開度制御有)で比較した時の図である。
　図１５も、図１４と同様に、降温ステップ(ステップＳ５)から次のステップ(ステップＳ６)に移行する前までの温度推移(実線)を、全ゾーンの熱電対で測定した炉内温度の平均温度で示している。図１５に示す横軸が時間(単位分)、縦軸が温度(単位℃)となっており、特に、左側の縦軸は炉内の温度であり、右側の縦軸は温度偏差である。８００℃から加熱装置４０を電力オフ(ヒータパワー０％)で降温させたときの炉内の温度変化を示している。
　図１５に示すように、８００℃から４００℃までに到達する時間は、当然、冷却ガスを多く供給している順に、比較例(バルブ開度１００％固定)が一番早く約１２分、続いて実施形態１(バルブ開度ゾーン毎に固定)が約１３分、実施形態２(バルブ開度制御有)が約１４分となっている。
　また、図１５に示すように、８００℃から加熱装置４０を電力オフ(ヒータパワー０％)で降温させたときのゾーン間の温度偏差(点線)を示している。これによると、比較例(バルブ開度１００％)のゾーン間の温度偏差が最大６０℃を超えてしまっている。更に、８００℃からの降温開始３分後からずっとゾーン間の温度偏差が２０℃以上という結果になっている。ここで、実施形態１(バルブ開度ゾーン毎に固定)でも、８００℃からの降温開始１０分後からずっとゾーン間の温度偏差が２０℃程度という結果になっている。比較例(バルブ開度１００％固定)よりもゾーン間の温度偏差が低減されているが、冷却エア９０のバルブ開度を固定する制御には限界があると思われる。
　一方、実施形態２(バルブ開度制御有)のゾーン間の温度偏差は、降温ステップ(ステップＳ５)の間、ゾーン間の温度偏差の最大値が１０℃を超えることなく、ゾーン間の温度偏差の平均値が８℃程度である。
つまり、処理後の温度履歴をさほど考慮する必要が無い処理であれば、実施形態２(又は実施形態１)によるクーリングユニット１００を利用した温度制御を行うことにより、実施形態３よりもスループット向上を図ることができる。
　図１６は、上述した実施形態３におけるクーリングユニット１００を利用した温度制御による効果をボートロードステップ(ステップＳ２)で示す図であり、ステップＳ２での炉内の温度変化を比較例(クーリングユニット無し)と上述した実施形態３とで比較した時の図である。図１６に示すように、ステップＳ２のような外乱による温度低下が避けられない時の温度リカバリ時間を短縮することができる。
　図１６では、ステップＳ２の温度推移を、複数の制御ゾーンのうち、Ｌ１ゾーンの温度で例示している。図１６に示す横軸が時間(単位分)、縦軸が温度(単位℃)となっており、特に、左側の縦軸は炉内の温度であり、右側の縦軸は温度偏差である。５００℃で維持しつつ、ボート３１を炉内に装入させたときの炉内の温度変化(実線)及びゾーン間の温度偏差(点線)を示している。
　図１６に示すように、比較例(クーリングユニット無し)では、温度低下が最大値２５℃、温度偏差の最大値が約２０℃となり、一方、上述した実施形態３におけるクーリングユニットを利用した温度制御では、温度低下が最大でも１０℃よりも小さく、温度偏差の最大値も約１０℃となった。また、再度５００℃(±２℃)に安定した時間は、比較例では３５分に対し、実施形態３では、２１分だった。このように、上述した実施形態３におけるクーリングユニットを利用した温度制御では、ステップＳ２のような外乱による温度低下が避けられない時の温度リカバリ時間を短縮することができる。よって、実施形態３によれば、比較例よりも次の昇温ステップ(ステップＳ３)に早く移行することができ、スループットを向上させることができる。
更に言えば、比較的低い温度(図１６では５００℃)でボートロードステップ(ステップＳ２)を実施した場合、比較例ではボートロードの外乱による温度変動に対してパワーを過剰に出力し、炉内温度が設定値以上となり、パワーを低下させるよう電力オフ(ヒータパワー０％)の状態となる。この電力オフ(ヒータパワー０％)状態で炉内温度が設定値になるよう低下するまで長時間必要とし、温度リカバリ時間が長くなっていた。一方、本実施形態３におけるクーリングユニット１００の制御は、予め設定したパワー値以下の出力の場合、冷却を強く(バルブOPEN)、予め設定したパワー値以上の場合、冷却を弱く(バルブClose)することで、ある一定のパワーを出力させることを目的としている。その結果、比較例のように電力オフ(ヒータパワー０％)状態が短くなり、外乱による温度変動に対してパワー値を上下させることが可能となり、温度制御性が向上し、温度リカバリ時間を短縮することができる。
また、上述した実施形態３におけるクーリングユニットを利用した温度制御は、ステップＳ６(ボートアンロードステップ)においても温度リカバリ時間を比較例と比較して短縮することができる。
　また、本発明は、半導体製造装置だけでなくＬＣＤ装置のようなガラス基板を処理する装置にも適用することができる。例えば、半導体集積回路装置（半導体デバイス）が作り込まれる半導体ウエハに酸化処理や拡散処理、イオン打ち込み後のキャリア活性化や平坦化のためのリフローやアニール及び熱ＣＶＤ反応による成膜処理などに使用される基板処理装置に利用して有効なものに適用することができる。
この出願は、２０１６年１１月３０日に出願された日本出願特願２０１６－２３２８１３を基礎として優先権の利益を主張するものであり、その開示の全てを引用によってここに取り込む。
　本発明は、被処理基板を処理室に収容して加熱装置によって加熱した状態で処理を施す処理装置であれば適用できる。
１　　基板(ウエハ)１０　基板処理装置１１　反応管(プロセスチューブ)１４　処理室(炉内空間)３１　ボート４０　加熱装置(ヒータユニット)６４　温度制御部(温度コントローラ)３００バルブ制御部 

Claims (12)

  1. ボートに載置された状態の基板を加熱するヒータユニットと、所定の温度に維持するよう前記ヒータユニットを制御する温度制御部と、反応管に向けて供給するガスの流量を調整する制御バルブの開度を調整するバルブ制御部と、所定の昇温レートで前記所定の温度まで昇温させる昇温ステップ、前記所定の温度で前記基板を処理する処理ステップ、前記所定の温度から所定の降温レートで降温させる降温ステップを含むレシピを実行指示する制御部と、を備え、前記制御部は、前記ヒータユニットによる加熱及び前記制御バルブから供給されるガスによる冷却を並行させて、前記所定の昇温レート及び前記所定の降温レートに追従させるように、前記温度制御部及び前記バルブ制御部を制御するよう構成されている基板処理装置。
  2. 更に、複数の冷却ゾーンに分割され、前記冷却ゾーン毎に前記制御バルブを設けるクーリングユニットを有し、前記制御バルブは、前記冷却ゾーン毎に個別に開度が調整されるよう構成されている請求項１記載の基板処理装置。
  3. 前記制御ゾーンの数と前記冷却ゾーンの数が一致するように構成されている請求項２に記載の基板処理装置。
  4. 前記制御部は、前記ヒータユニットによる加熱及び前記制御バルブから供給されるガスによる冷却を並行させて、前記昇温ステップから前記処理ステップへの移行時において発生するオーバシュートの時間を短縮させるように、前記温度制御部及び前記バルブ制御部を制御するよう構成されている請求項１記載の基板処理装置。
  5. 前記制御部は、前記制御バルブから供給されるガスによる冷却により、前記降温ステップの時間を短縮させるように、前記バルブ制御部を制御するよう構成されている請求項１記載の基板処理装置。
  6. 前記制御ゾーン毎に設けられた熱電対を有し、前記制御部は、基準ゾーンに選択された基準ゾーンの温度を検出する熱電対と、基準ゾーン以外に設けられた熱電対との温度偏差がゼロになるように前記温度制御部及び前記制御バルブを制御するよう構成されている請求項１記載の基板処理装置。
  7. 前記温度制御部は、前記基準ゾーンの温度を検出する熱電対と前記制御部からの設定値から算出された基準設定値との偏差がゼロになるように前記制御バルブを制御するように構成されている請求項６記載の基板処理装置。
  8. 前記制御部は、前記ヒータユニットによる加熱及び前記制御バルブから供給されるガスによる冷却を並行させて、前記昇温ステップから前記処理ステップへの移行時において発生するオーバシュートの時間を短縮させるように、前記温度制御部及び前記バルブ制御部に制御するよう構成されている請求項１記載の基板処理装置。
  9. 前記制御部は、前記昇温ステップにおいて、前記所定の温度に到達する前に前記制御バルブから供給されるガスを停止させるように前記バルブ制御部を制御するよう構成されている請求項１に記載の基板処理装置。
  10. 更に、前記レシピは、複数枚の基板をボートに保持させて、前記反応管内に装入するボートロードステップを有し、前記制御部は、前記ヒータユニットによる加熱及び前記制御バルブから供給されるガスによる冷却を並行させて、前記ボートロードステップにおいて発生するオーバシュートの時間を短縮させるように、前記温度制御部及び前記バルブ制御部に制御するよう構成されている請求項１記載の基板処理装置。
  11. 複数枚の基板をボートに保持させて、反応管内に装入する工程と、前記反応管内の温度を所定の昇温レートで所定の温度にする昇温工程と、ヒータユニットにより前記所定の温度に制御しつつ、前記基板を処理する工程と、前記反応管内の温度を所定の降温レートで前記所定の温度よりも低い温度にする降温工程と、を有する半導体装置の製造方法であって、前記昇温工程において、前記ヒータユニットによる加熱及び制御バルブから供給されるガスによる冷却を並行させて前記所定の昇温レートに追従させ、前記降温工程において、前記ヒータユニットによる加熱及び制御バルブから供給されるガスによる冷却を並行させて前記所定の降温レートに追従させる半導体装置の製造方法。
  12. 反応管内の温度を所定の温度に維持するよう、前記反応管内に装入されたボートに載置された基板を加熱するヒータユニットを制御する温度制御部と、前記反応管に向けて供給されるガスの流量を調整する制御バルブの開度を調整するバルブ制御部と、を備えた基板処理装置に、複数枚の基板をボートに保持させる手順と、前記ボートを反応管に装入する手順と、前記反応管内の温度を所定の昇温レートで所定の温度に昇温する手順と、前記所定の温度に制御しつつ、前記基板を処理する手順と、前記反応管内の温度を所定の降温レートで前記所定の温度よりも低い温度に降温する手順と、を実行させるプログラムであって、前記昇温する手順において、前記ヒータユニットによる加熱及び前記制御バルブから供給されるガスによる冷却を並行させて前記所定の昇温レートに追従させ、前記降温する手順において、前記ヒータユニットによる加熱及び前記制御バルブから供給されるガスによる冷却を並行させて前記所定の降温レートに追従させるプログラム。
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