JP2001345275A - 熱処理装置、熱処理装置の制御方法、および基板の周縁測定箇所の決定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体ウエハ上の温度分布を考慮して半導体
ウエハの熱処理を行う。 【解決手段】 処理室内に基板を配置して熱処理を行う
ための熱処理装置であって、加熱部と、基板の中央近傍
に位置する中央測定箇所および基板の周縁近傍に位置す
る複数の周縁測定箇所の温度を測定する温度測定部と、
中央測定箇所および複数の周縁測定箇所の温度に基づ
き、基板の代表温度を算出する代表温度算出部と、代表
温度に基づいて前記加熱部を制御する制御部とを具備す
る熱処理装置を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウエハ等の
基板を熱処理する熱処理装置、熱処理装置の制御方法お
よび基板の周縁測定箇所の決定方法に関し、特に基板の
温度分布を加味して熱処理を行う熱処理装置、熱処理装
置の制御方法および基板の周縁測定箇所の決定方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】一般に多数枚の半導体ウエハに対して成
膜処理、酸化処理あるいは拡散処理などの熱処理を一括
して行う熱処理装置として横型熱処理装置や縦型熱処理
装置が知られており、最近では大気の巻き込みが少ない
等の理由から縦型熱処理装置が主流になりつつある。

【０００３】縦型熱処理装置は、筒状のマニホールドの
上に設けられた縦型の反応管と、この反応管を囲むよう
に設けられたヒータとを備える。そして、ウエハボート
と呼ばれる保持具に多数枚のウエハを棚状に保持させて
マニホールドの下端の開口部から反応管内に搬入させて
熱処理が行われる。

【０００４】この熱処理の際には半導体ウエハの加熱さ
れた温度に基づき熱処理装置が制御される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、熱処理
装置で熱処理を行う際に半導体ウエハの温度は一様では
なく、温度分布があるのが通例である。このため、半導
体ウエハ上のどの箇所の温度に基づいて、熱処理装置を
制御するかが問題となる。

【０００６】また、この温度分布の幅が大きいと半導体
ウエハ上にスリップラインが発生しやすくなる。スリッ
プラインは、半導体ウエハ上に形成された１種の段差で
あり、半導体デバイスの歩留まりを低下する要因にな
る。

【０００７】本発明はこのような課題を解決するために
なされたもので、半導体ウエハ等の基板の温度分布をも
考慮して基板の熱処理を行うことを可能ならしめる熱処
理装置、熱処理装置の制御方法、および基板上の温度を
測定する周縁測定箇所の決定方法を提供することを目的
としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】（１）上記目的を達成す
るために、本発明に係る熱処理装置は、処理室内に基板
を配置して熱処理を行うための熱処理装置であって、前
記基板を基板周縁から加熱するための加熱部と、前記基
板の中央近傍に位置する中央測定箇所および該基板の周
縁近傍に位置する複数の周縁測定箇所の温度を測定する
温度測定部と、前記温度測定部によって測定された前記
中央測定箇所および前記複数の周縁測定箇所の温度に基
づき、前記基板の代表温度を算出する代表温度算出部
と、前記代表温度算出部によって算出された前記代表温
度に基づいて、前記加熱部を制御する制御部とを具備す
ることを特徴とする。

【０００９】中央測定箇所および複数の周縁測定箇所の
温度に基づき、基板の代表温度を算出することから、基
板上の温度分布を的確に反映した代表温度の算出および
この代表温度に基づく加熱部の的確な制御が可能とな
る。

【００１０】代表温度は、例えば、複数の周縁測定箇所
の温度の平均値と中央測定箇所の温度とを重みづけ平均
することによって算出することができる。

【００１１】（２）また、本発明に係る熱処理装置は、
処理室内に基板を配置して熱処理を行うための熱処理装
置であって、前記基板を基板周縁から加熱するための加
熱部と、前記基板の中央近傍に位置する中央測定箇所お
よび該基板の周縁近傍に位置する複数の周縁測定箇所の
温度を測定する温度測定部と、前記中央測定箇所の温度
および前記複数の周縁測定箇所の温度に基づき前記基板
内の温度差を算出する温度差算出部と前記温度差算出部
によって算出された前記温度差に基づいて、前記加熱部
を制御する制御部とを具備することを特徴とする。

【００１２】中央測定箇所の温度および複数の周縁測定
箇所の温度に基づき基板内の温度差を算出することか
ら、基板内の温度分布を的確に反映した温度差の算出お
よびこの温度差に基づく加熱部の的確な制御が可能とな
る。

【００１３】この結果、基板内の温度差を適正な許容範
囲以内に抑えることができ、例えば、半導体ウエハに発
生するスリップラインを低減することができる。

【００１４】温度差は、例えば、中央測定箇所と複数の
周縁測定箇所との温度の差分より絶対値が最大である差
分を選択することによって算出できる。

【００１５】（３）本発明に係る熱処理装置の制御方法
は、基板の熱処理を行う熱処理装置を制御するための方
法であって、前記基板の中央近傍に位置する中央測定箇
所および該基板の周縁近傍に位置する複数の周縁測定箇
所の温度を測定する温度測定工程と、前記中央測定箇所
の温度および複数の周縁測定箇所の温度に基づき、前記
基板の代表温度および該基板内の温度差を算出する代表
温度・温度差算出工程と、前記代表温度・温度差算出工
程によって算出された前記代表温度および前記温度差に
基づき、前記熱処理装置を制御する制御工程とを具備す
ることを特徴とする。

【００１６】中央測定箇所の温度および複数の周縁測定
箇所の温度から算出された基板の代表温度および基板内
の温度差によって、基板の温度分布を考慮した熱処理装
置の的確な制御を行える。

【００１７】ここで、制御工程は、前記代表温度に基づ
き、前記熱処理装置の制御パラメータを導出する制御パ
ラメータ導出工程と、前記制御パラメータ導出工程によ
って導出された前記制御パラメータを前記温度差に基づ
き修正する制御パラメータ修正工程とを具備することが
できる。

【００１８】（４）本発明に係る基板の周縁測定箇所を
決定するための方法は、基板の周縁近傍に位置し、かつ
該基板を熱処理する際の温度を測定するための複数の周
縁測定箇所を決定するための方法であって、熱処理装置
に前記基板を配置して該基板の温度が安定するまで加熱
する加熱工程と、前記加熱工程によって加熱された前記
基板の温度を、該基板の周縁近傍の５以上の箇所で測定
する測定工程と、前記測定工程によって測定された最低
の温度に対応した最低温度箇所または最高の温度に対応
した最高温度箇所の少なくともいずれか一方を特定する
最低・最高温度箇所特定工程と、前記最低・温度箇所特
定工程によって特定された前記最低温度箇所または前記
最高温度箇所のいずれか一方を含み、かつ前記基板の周
縁に沿って該基板上を等間隔となるように該基板の周縁
近傍の前記周縁測定箇所を決定する測定箇所決定工程と
を具備することを特徴とする。

【００１９】基板の温度を多数の箇所で測定し、これか
ら最低温度箇所または最高温度箇所の少なくともいずれ
かを含み、かつ基板周縁に沿って基板上を等間隔となる
ように周縁測定箇所を決定することから、基板の温度分
布を考慮した的確な温度測定が可能となる。即ち、周縁
測定箇所が必ずしも多数あることを要せずに的確な温度
測定が可能なので、熱処理時の温度測定の労力が軽減さ
れる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下に本発明を縦型熱処理装置に
適用した場合の実施の形態について説明する。

【００２１】図１、図２はそれぞれ、本発明に係る縦型
熱処理装置の一部断面図および斜視図である。

【００２２】本発明に係る縦型熱処理装置は、図１に示
すように、例えば石英で作られた内管２ａ及び外管２ｂ
よりなる二重管構造の反応管２を備え、反応管２の下部
側には金属製の筒状のマニホールド２１が設けられてい
る。

【００２３】内管２ａは上端が開口されており、マニホ
ールド２１の内側で支持されている。外管２ｂは上端が
塞がれており、下端がべ一スプレート２２の下側にてマ
ニホールド２１の上端に気密に接合されている。

【００２４】前記反応管２内には、図２に示すように、
多数枚例えば１５０枚の被処理体（被処理基板）をなす
半導体ウエハＷ（製品ウエハ）が各々水平な状態で上下
に間隔をおいて保持具であるウエハボート２３に棚状に
載置されており、このウエハボート２３は蓋体２４の上
に保温筒（断熱体）２５を介して保持されている。前記
ウエハボート２３には、被処理基板である製品ウエハＷ
をできるだけ均一な加熱雰囲気に置くために上端側と下
端側とにサイドウエハと呼ばれる常時載置用のウエハが
載置されると共に処理の状態をモニタ一するモニタウエ
ハも散在して置かれる。このため、製品ウエハに加えて
これらウエハを見込んだ数の溝が設置され、例えば１５
０枚の製品ウエハＷを搭載するものにあっては、１７０
枚分の保持溝が形成されている。前記蓋体２４は、ウエ
ハボート２３を反応管２内に搬入、搬出するためのボー
トエレベータ２６の上に搭載されており、上限位置にあ
るときにはマニホールド２１の下端開口部、即ち反応管
２とマニホールド２１とで構成される処理容器の下端開
口部を閉塞する役割を持つものである。

【００２５】反応管２の周囲には例えば抵抗加熱体より
なるヒータ３が設けられている。ヒータ３はゾーン１〜
５に５分割されていて、各ヒータ３１〜３５が電力コン
トローラ４１〜４５により独立して発熱量を制御できる
ようになっている。この例では反応管２、マニホールド
２１、ヒータ３により加熱炉が構成される。

【００２６】内管２ａの内壁には、ヒータ３１〜３５の
各ゾーン１〜５に対応して熱電対等の内側温度センサＳ
１ｉｎ〜Ｓ５ｉｎが設置されている。また、外管２ｂの
外壁にはヒータ３１〜３５の各ゾーン１〜５に対応して
熱電対等の外側温度センサＳ１ｏｕｔ〜Ｓ５ｏｕｔが設
置されている。図示していないが、この温度センサＳ１
ｉｎ〜Ｓ５ｉｎ、Ｓ１ｏｕｔ〜Ｓ５ｏｕｔはそれぞれ内
管２ａおよび外管２ｂの円周方向にそって複数配置され
ている。この結果、反応管２の軸方向および円周方向双
方の温度分布が測定できる。

【００２７】前述のモニタウエハは、ヒータ３１〜３５
の各ゾーン１〜５にそれぞれ対応した位置にモニタウエ
ハＷ１〜Ｗ５として設置されている。このモニタウエハ
Ｗ１〜Ｗ５は、通常は製品ウエハと同一のウエハが用い
られ、ウエハの中央近傍に位置する中央測定箇所および
周縁近傍に位置する複数の周縁測定箇所の温度がモニタ
される。

【００２８】図３にモニタウエハＷ１〜Ｗ５上における
中央測定箇所、周縁測定箇所の位置関係を示す。モニタ
ウエハＷ１〜Ｗ５上の中央近傍に位置する箇所ｃが中央
測定箇所ｃであり、その他のモニタウエハ周縁に配置さ
れた箇所ｅ１〜ｅ４が周縁測定箇所ｅ１〜ｅ４である。
なお、周縁測定箇所の決定方法等の詳細については後述
する。

【００２９】後述のように、モニタウエハＷ１〜Ｗ５そ
れぞれの中央測定箇所ｃおよび周縁測定箇所ｅ１〜ｅ４
の温度は、温度センサＳ１ｉｎ〜Ｓ５ｉｎ、Ｓ１ｏｕｔ
〜Ｓ５ｏｕｔの測定信号から推定される。

【００３０】マニホールド２１には、内管２ａ内にガス
を供給するように複数のガス供給管が設けられており、
図１では便宜上２本のガス供給管５１、５２を示してあ
る。各ガス供給管５１、５２には、ガス流量をそれぞれ
調整するための例えばマスフローコントローラなどの流
量調整部６１、６２やバルブ（図示せず）などが介設さ
れている。更にまたマニホールド２１には、内管２ａと
外管２ｂとの隙間から排気するように排気管２７が接続
されており、この排気管２７は図示しない真空ポンプに
接続されている。排気管２７の途中には反応管２内の圧
力を調整するための例えばバタフライバルブやバルブ駆
動部などを含む圧力調整部２８が設けられている。

【００３１】この縦型熱処理装置は、反応管２内の処理
雰囲気の温度、反応管２内の圧力、ガス流量といった処
理パラメータを制御するためのコントローラ１００を備
えている。このコントローラ１００には、温度センサＳ
１ｉｎ〜Ｓ５ｉｎ、Ｓ１ｏｕｔ〜Ｓ５ｏｕｔからの温度
測定信号が入力され、ヒータ３の電力コントロ一ラ４１
〜４５、圧力調整部２８、流量調整部６１、６２に制御
信号を出カする。

【００３２】本実施形態の更なる詳細を説明する前に、
半導体ウエハ上の温度分布の傾向およびその原因につい
て説明する。

【００３３】熱処理においては、半導体ウエハの中央近
傍（中央測定箇所）および周縁近傍（周縁測定箇所）に
温度差が生じる可能性があり、さらに周縁近傍において
も半導体ウエハ中心からみた方向の相違によって温度差
が生じる可能性がある。

【００３４】周縁測定箇所によって温度が相違するのは
熱処理を行う熱処理装置の熱特性が半導体ウエハＷの中
心軸からみて点対称であるとは限らないことに起因す
る。例えば、ガス供給管５１、５２の開口部と半導体ウ
エハの位置関係によって温度分布が生じる。

【００３５】この関係を図４に示す。図４Ａ、Ｂは温度
が安定した状態でのモニタウエハＷの中央測定箇所ｃと
周縁測定箇所ｅ１〜ｅ５の温度とガス供給口５１０，５
２０との位置関係をそれぞれモニタウエハＷの上面およ
び側部から表した一例としての図である。ガス供給管５
１、５２の開口部５１０、５２０が周縁測定箇所ｅ１の
側で開口している。供給されるガスの温度は反応管２中
の雰囲気の温度よりも低い。このため、周縁測定箇所ｅ
１の温度は他の周縁測定箇所ｅ２〜ｅ４の温度よりも低
くなっている。そして、基板周縁において温度が最大と
なる周縁測定箇所ｅ３はガス供給口５１０，５２０とは
反対側に位置している。

【００３６】基板周縁にはこのように温度が安定した状
態であっても温度分布が存在する場合がある。そして、
この要因は必ずしもこのようなガスの供給およびその流
れのみには限られず、半導体ウエハの中心軸に対する対
称性を乱すものがあれば基板周縁に温度分布が生じる可
能性がある。

【００３７】次に半導体ウエハＷの温度分布の時間的変
動につき説明する。図５は、図３の中央測定箇所ｃと周
縁測定箇所ｅ１，ｅ３の温度の時間的変化を表したグラ
フである。ここで、周縁測定箇所ｅ１は、何らかの理由
で周縁測定箇所ｅ３よりも加熱されにくく、また冷却さ
れやすい状態であると仮定する。

【００３８】図５において、Ｔｗは半導体ウエハＷの目
標温度プロファイルを表し、これは熱処理条件（昇温速
度、設定温度（Ｔｓｐ）、処理時間、降温速度）とし
て、後述する処理レシピに表されている。また、Ｔｃは
中央測定箇所ｃの温度（以下、「中央温度」という）、
Ｔｅ１，Ｔｅ２は周縁測定箇所ｅ１，ｅ２それぞれの温
度（以下、「周縁温度」という）を表している。

【００３９】熱処理工程は、時刻ｔ１からｔ２の昇温工
程、時刻ｔ２からｔ３の安定化工程、時刻ｔ３からｔ４
のプロセス工程、時刻ｔ４からｔ５の降温工程によって
構成される。そして、プロセス工程において必要に応じ
てガスの導入、およびその結果としての成膜等が行われ
ることになる。以下、このときの温度分布の時間的変動
につき詳述する。

【００４０】（１）昇温工程（時刻ｔ１〜ｔ２） 昇温工程においてはヒータ３に大きな出力が加えられる
結果、半導体ウエハの温度は上昇する。

【００４１】時刻ｔ１においては中央温度Ｔｃ、周縁温
度Ｔｅ１、Ｔｅ３にはほとんど差がないが、昇温するに
つれこれらの間の温度差が拡大する。ヒータ３が半導体
ウエハの周縁に位置し、半導体ウエハはその周縁から加
熱される関係で、周縁温度Ｔｅ１、Ｔｅ３が先に上昇
し、中央温度Ｔｃはこれに遅れて上昇することになる。
このとき、周縁測定箇所ｅ３は周縁のうちでも比較的加
熱されやすいことから温度上昇の速度が大きい。即ち、
昇温プロセスにおいては、中央測定箇所ｃと周縁測定箇
所ｅ３が半導体ウエハ上において温度差が大きいことに
なる。

【００４２】（２）安定化工程（時刻ｔ２〜ｔ３） 安定化工程においては、ヒータ３の出力は低減される。
しかし、熱的な慣性のため半導体ウエハの温度上昇は直
ぐには止まらない。このため、半導体ウエハの温度が安
定するまで多少の時間がかかる。そこで、半導体ウエハ
の温度が設定温度Ｔｓｐで安定するまで成膜等のプロセ
スの実行は見送られる。

【００４３】このとき周縁測定箇所ｅ３は、加熱されや
すい箇所であることから設定温度Ｔｓｐを一時的に越
え、ピークをもつ（オーバシュート）。その後、一旦設
定温度以下に下がり（アンダーシュート）その後設定温
度Ｔｓｐに落ち着く。周縁測定箇所ｅ１は周縁測定箇所
ｅ３より加熱されにくいので、周縁温度Ｔｅ１は周縁温
度Ｔｅ３より低いが、傾向としては周縁温度Ｔｅ３とほ
ぼ同様に変化する。

【００４４】これに対して、中央温度Ｔｃは温度上昇が
比較的ゆっくりである結果、ピークは持たずに徐々に設
定温度Ｔｓｐに近づいてゆく傾向にある。

【００４５】（３）プロセス工程（時刻ｔ３〜ｔ４） プロセス工程においては半導体ウエハの温度は比較的安
定する。しかしながら、先に例として図４で示したよう
にこのときでも基板上には温度分布が存在し、周縁温度
ｅ１は設定温度Ｔｓｐには達していない。

【００４６】（４）降温工程（ｔ４〜ｔ５） 降温工程においては、ヒータ３の出力がさらに下げられ
る。この結果、半導体ウエハＷの温度は低下する。

【００４７】しかし、熱的な慣性のため、半導体ウエハ
の温度は目標温度プロファイルＴｗよりも遅れて低下し
てゆく。このとき周縁測定箇所ｅ１，ｅ３は、半導体ウ
エハの周縁から放熱が進む関係で中央測定箇所ｃよりも
速やかに温度が低下する。周縁測定箇所のうちでもｅ１
は放熱がされやすい関係から最も速く温度が下がる。こ
れに対して、中央測定箇所ｃは主に熱を周縁に伝導する
ことで放熱されるので、周縁測定箇所ｅ１、ｅ３に遅れ
て温度が下がることになる。

【００４８】即ち、降温工程においては中央測定箇所ｃ
と周縁測定箇所ｅ１との間が半導体ウエハ上での温度差
が大きい。

【００４９】次に本発明に係る熱処理装置の更なる詳細
について述べる。

【００５０】図６は、コントローラ１００の内部構成の
うち、ヒータ３の制御に係る部分の詳細を示すブロック
図である。図６に示すようにコントローラ１００は、大
きく区分すると基板温度推定部１１０，半導体ウエハ等
の基板を代表する代表温度および基板内の温度差を算出
する代表温度・温度差算出部１２０、ヒータ出力制御部
１３０から構成される。ヒータ出力制御部１３０は、さ
らに処理レシピ記憶部１３２が接続されたヒータ出力導
出部１３４，および温度差許容範囲記憶部１３６が接続
されたヒータ出力補正部１３８から構成される。

【００５１】図７は、コントローラ１００によるヒータ
３の制御手順を表すフロー図である。以下、このフロー
図に基づき温度制御の手順を説明する。

【００５２】（Ａ）熱処理のプロセスが開始されると
（Ｓ２０１）、温度センサＳｉｎ（Ｓ１ｉｎ〜Ｓ５ｉ
ｎ）、Ｓｏｕｔ（Ｓ１ｏｕｔ〜Ｓ５ｏｕｔ）の測定信号
が基板温度推定部１１０によって読みとられる（Ｓ２０
２）。

【００５３】（Ｂ）基板温度推定部１１０は、温度セン
サＳｉｎ、Ｓｏｕｔの測定信号からモニタウエハＷ１〜
Ｗ５それぞれの中央温度Ｔ１ｃ〜Ｔ５ｃおよび周縁温度
Ｔ１ｅ〜Ｔ５ｅを推定する（Ｓ２０３）。

【００５４】この推定には制御工学において知られてい
る以下の式（１）、（２）を用いることができる。

【００５５】 ｘ（ｔ＋１）＝Ａ・ｘ（ｔ）＋Ｂ・ｕ（ｔ） …… 式（１） ｙ（ｔ）＝Ｃ・ｘ（ｔ）＋ｕ（ｔ） …… 式（２） ここで、ｔ：時間 ｘ（ｔ）：ｎ次元状態ベクトル ｙ（ｔ）：ｍ次元出力ベクトル ｕ（ｔ）：ｒ次元入力ベクトル Ａ，Ｂ，Ｃ：それぞれｎ×ｎ、ｎ×ｒ、ｍ×ｎの定数行
列 である。

【００５６】式（１）が状態方程式、式（２）が出力方
程式と呼ばれ、式（１）、（２）を連立して解くことに
より、入力ベクトルｕ（ｔ）に対応する出力ベクトルｙ
（ｔ）を求めることができる。

【００５７】本実施形態においては入力ベクトルｕ
（ｔ）は温度センサＳ１ｉｎ〜Ｓ５ｉｎ、Ｓ１ｏｕｔ〜
Ｓ５ｏｕｔの測定信号であり、出力ベクトルｙ（ｔ）は
中央温度Ｔ１ｃ〜Ｔ５ｃおよび周縁温度Ｔ１ｅ〜Ｔ５ｅ
である。

【００５８】式（１）、（２）において、温度センサＳ
ｉｎ、Ｓｏｕｔの測定信号と中央温度Ｔｃ、周縁温度Ｔ
ｅは、多入出力の関係にある。即ち、ヒータ３のゾーン
１〜５それぞれはモニタウエハＷ１〜Ｗ５のそれぞれに
対して独立に影響を与えているわけではなく、一つのゾ
ーンのヒータはどのモニタウエハにも何らかの影響を与
えている。

【００５９】状態方程式等は雑音を考慮した式（３）、
（４） ｘ（ｔ＋１）＝Ａ・ｘ（ｔ）＋Ｂ・ｕ（ｔ）＋Ｋ・ｅ（ｔ） …… 式（３） ｙ（ｔ）＝Ｃ・ｘ（ｔ）＋Ｄ・ｕ（ｔ）＋ｅ（ｔ） …… 式（４） を用いることもできる。

【００６０】ここで、ｔ：時間 ｘ（ｔ）：ｎ次元状態ベクトル ｙ（ｔ）：ｍ次元出力ベクトル ｕ（ｔ）：ｒ次元入力ベクトル ｅ（ｔ）：ｍ次元雑音ベクトル Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ、Ｋ：それぞれｎ×ｎ、ｎ×ｒ、ｍ×
ｎ、ｍ×ｍ、ｎ×ｍの定数行列である。

【００６１】熱処理装置の熱特性によって定まる定数行
列Ａ，Ｂ，Ｃ、Ｄを求める手法として、例えば部分空間
法を適用することができる。

【００６２】具体的には温度センサＳ１ｉｎ〜Ｓ５ｉ
ｎ、Ｓ１ｏｕｔ〜Ｓ５ｏｕｔの測定信号及び中央温度Ｔ
１ｃ〜Ｔ５ｃおよび周縁温度Ｔ１ｅ〜Ｔ５ｅのデータを
取得し、そのデータを例えばソフトウェアＭａｔｌａｂ
（製造：Ｔｈｅ ＭａｔｈＷｏｒｋｓ． Ｉｎｃ．、販
売：サイバネットシステム株式会社）に入力すること
で、定数行列Ａ，Ｂ，Ｃを逆算できる。

【００６３】このデータ取得は、ヒータ３１〜３５の出
力を徐々に変化させ、温度センサＳ１ｉｎ〜Ｓ５ｉｎ、
Ｓ１ｏｕｔ〜Ｓ５ｏｕｔの測定信号及び中央温度Ｔ１ｃ
〜Ｔ５ｃおよび周縁温度Ｔ１ｅ〜Ｔ５ｅの時間的変動を
同時に測定することにより行われる。中央温度Ｔ１ｃ〜
Ｔ５ｃおよび周縁温度Ｔ１ｅ〜Ｔ５ｅの測定は、熱電対
を設置したモニタウエハを用いることで行える。

【００６４】求められた定数行列Ａ，Ｂ，Ｃ、Ｄの組合
せは、複数存在するのが通例である。この組合せから、
中央温度Ｔ１ｃ〜Ｔ５ｃおよび周縁温度Ｔ１ｅ〜Ｔ５ｅ
の算出値（（３）、（４）を連立して算出する）と実測
値が一致するものを選択する（モデルの評価）。

【００６５】定数行列Ａ，Ｂ，Ｃ、Ｄの組合せが定まれ
ば、式（１）、（２）または式（３）、（４）を連立し
て解くことにより、温度センサＳ１ｉｎ〜Ｓ５ｉｎ、Ｓ
１ｏｕｔ〜Ｓ５ｏｕｔの測定信号から中央温度Ｔ１ｃ〜
Ｔ５ｃおよび周縁温度Ｔ１ｅ〜Ｔ５ｅを算出できる。

【００６６】（Ｃ）代表温度・温度差算出部１２０は、
中央温度Ｔ１ｃ〜Ｔ５ｃ、周縁温度Ｔ１ｅ〜Ｔ５ｅを基
にモニタウエハＷ１〜Ｗ５それぞれの温度を代表する代
表温度Ｔ１ｒ〜Ｔ５ｒおよびモニタウエハＷ１〜Ｗ５内
それぞれの温度差ΔＴ１〜ΔＴ５を算出する（Ｓ２０
４）。

【００６７】代表温度Ｔｒの算出は、例えばつぎの式
（５）によって行える。

【００６８】 Ｔｒ＝Ｔｃ・ｘ＋Ｔｅ（ａｖ）・（１−ｘ） …… 式（５） ここで、Ｔｅ（ａｖ）：周縁温度の平均値（以下「平均
周縁温度」という） ｘ：重み （０＜ｘ＜１） であり、Ｔｅ（ａｖ）はつぎの式（６） Ｔｅ（ａｖ）＝［ΣＴｅ（ｉ）］／ｎ …… 式（６） で求められる。

【００６９】ここで、Σ：総和記号 Ｔｅ（ｉ）：同一のモニタウエハ上における周縁測定箇
所ｅｉの温度 ｎ：同一のモニタウエハ上における周縁測定箇所の個数 である。

【００７０】即ち、代表温度Ｔｒは、複数の周縁測定箇
所の温度の平均値を算出し、この平均値（平均周縁温
度）と中央測定箇所の温度を重みづけ平均することで、
算出される。

【００７１】ここで、複数の周縁測定箇所の温度の平均
値をとるのは周縁測定箇所の温度分布を考慮したためで
ある。

【００７２】代表温度Ｔｒの意味合いについて図を用い
てさらに詳細に説明する。

【００７３】図８Ａ，Ｂは、半導体ウエハ上の温度の度
数分布を表したグラフである。図８Ａ、Ｂは代表温度を
それぞれＴｒ１、Ｔｒ２に設定している。グラフの横軸
が温度であり、縦軸が度数である。この度数は半導体ウ
エハにおける面積あるいは半導体ウエハを縦横に等分割
したときのチップ数に比例する値である。即ち、ある温
度における度数が多いことはその温度となる箇所が半導
体ウエハ上に占める面積が大きいことを意味する。

【００７４】図８Ａ，Ｂに示すように半導体ウエハＷ上
の温度分布は山形の分布をしている。このため図８Ａの
ように代表温度Ｔｒ１を分布の中心付近に設定すると、
図８Ｂに示す分布の中心から外れた場合よりも同一の温
度の幅±Δ内に多数のチップ数を確保できることが判
る。

【００７５】複数の周縁測定箇所の温度の平均値をとる
ことで、代表温度が温度分布の中心から外れることを防
止できる。例えば、周縁測定箇所中にウエハの周縁近傍
の比較的温度が低い領域が含まれなければ、算出した代
表温度は図８Ｂに示すように温度分布の中心から高温側
に外れてくる。

【００７６】平均周縁温度Ｔｅ（ａｖ）と中央温度を重
みづけ平均するのにあたって、重みｘは例えば１／３を
採用できる。より適切には、代表温度が温度分布の中央
に位置するように半導体ウエハの温度分布を考慮して設
定する。

【００７７】温度差ΔＴは、例えば以下の式（７）によ
り、算出できる。

【００７８】 ΔＴ＝ＭＡＸ（｜Ｔｅ１−Ｔｃ｜，｜Ｔｅ２−Ｔｃ｜，｜Ｔｅ３−Ｔｃ｜，｜ Ｔｅ４−Ｔｃ｜） …… 式（７） 即ち、周縁温度Ｔｅ１、Ｔｅ２、Ｔｅ３、Ｔｅ４と中央
温度Ｔｃの温度の差のうち絶対値が最大のものが選択さ
れる。

【００７９】図５で示したように、昇温時には周縁測定
箇所ｅ３が、降温時には周縁測定箇所ｅ１がそれぞれ中
央測定箇所ｃとの温度の差が最大であると判っている場
合には以下の式（８）、（９）によって温度差ΔＴを算
出しても良い。

【００８０】 昇温時：ΔＴ＝Ｔｅ３−Ｔｃ …… 式（８） 降温時：ΔＴ＝Ｔｅ１−Ｔｃ …… 式（９） （Ｄ）ヒータ出力導出部１３４は、代表温度Ｔ１ｒ〜Ｔ
５ｒおよび処理レシピを基にヒータ３１〜３５のあるべ
き出力値ｈ１〜ｈ５を導出する（Ｓ２０５）。

【００８１】処理レシピは熱処理条件（昇温速度、設定
温度（Ｔｓｐ）、処理時間、降温速度、使用するガスの
種類、流量等）を表した例えばテーブルである。処理レ
シピは、処理レシピ記憶部１３２に記憶されている。な
お、昇温速度、設定温度、処理時間、降温速度等は目標
温度プロファイルＴｗとして、図５のように時間の関数
として処理レシピ上に表されていても差し支えない。

【００８２】ヒータ出力値ｈ１〜ｈ５は、例えば昇温速
度（レート）、降温速度（レート）によってヒータ出力
値ｈ１〜ｈ５を予め決めておき、代表温度Ｔｒが設定温
度Ｔｓｐに到達しているか否かによってヒータ出力値を
切り替えることにより、目標温度プロファイルＴｗと代
表温度Ｔｒより導出できる。この他に、例えば目標温度
プロファイルＴｗと代表温度Ｔｒとの差（Ｔｗ−Ｔｒ）
によってヒータ出力値を連続的に変化するように決めて
も良い。

【００８３】（Ｅ）ヒータ出力修正部１３８によって、
温度差ΔＴ１〜ΔＴ５が許容範囲にあるかが判定されて
（Ｓ２０６）、温度差が許容範囲から外れている場合に
はヒータ出力値ｈ１〜ｈ５が修正される（Ｓ２０７）。

【００８４】温度差の許容範囲は、温度差許容範囲記憶
部１３６に記憶されている。温度差の許容範囲は図９の
グラフに示すように温度の関数である。図９のグラフは
横軸が代表温度Ｔｒ、縦軸が温度差の許容範囲ΔＴｐｅ
ｒを表している。そして、ラインＡが昇温時、ラインＢ
が降温時における温度差の許容範囲ΔＴｐｅｒを表して
いる。代表温度Ｔｒが大きいほど許容範囲ΔＴｐｅｒの
絶対値が小さくなることが判る。

【００８５】この許容範囲ΔＴｐｅｒはスリップライン
が発生しにくい範囲を表している。スリップラインは、
半導体ウエハ内の剪断応力によって発生するとされる。
従い、剪断応力の一因となる半導体ウエハ上の温度差を
一定値以下に抑えることによって、スリップラインの発
生が低減できる。

【００８６】代表温度Ｔｒからそのときの温度差の許容
範囲ΔＴｐｅｒ（Ｔｒ）が求められる。温度差ΔＴがこ
の許容範囲ΔＴｐｅｒ（Ｔｒ）を越えていれば、ステッ
プＳ２０５で導出されたヒータ出力値ｈ１〜ｈ５は修正
される。即ち、昇温レート、または降温レートを低減す
るようにヒータ出力値ｈ１〜ｈ５が修正される。

【００８７】温度差ΔＴがこの許容範囲ΔＴｐｅｒ以内
であれば、ステップＳ２０５で導出されたヒータ出力値
ｈ１〜ｈ５はそのままヒータ出力の制御に用いられる。

【００８８】（Ｆ）ヒータ出力修正部１３８は、最終的
に決定されたヒータ出力値ｈ１〜ｈ５を電力コントロー
ラ４１〜４５に制御信号として出力し（Ｓ２０８）、ヒ
ータ３１〜３５それぞれの出力が制御される。

【００８９】（Ｇ）熱処理プロセスが終了していなけれ
ば、ステップＳ２０２に戻って半導体ウエハＷの温度制
御が続行される（Ｓ２０９、Ｓ２１０）。

【００９０】なお、このステップＳ２０２からＳ２０９
は多くの場合、１秒〜４秒程度の周期で繰り返される。

【００９１】次に図７に示すプロセスによって熱処理が
行われた場合における、半導体ウエハの温度の時間的変
化を図１０に示す。

【００９２】図１０Ａは半導体ウエハの代表温度の時間
的変化を表したグラフであり、図１０Ｂはヒータ出力の
時間的変化を表したグラフである。

【００９３】図１０Ａで、Ｔｗが目標温度プロファイル
を表し、Ｔｒが代表温度である。

【００９４】（１）時刻ｔ１まで、ヒータ出力は保持温
度Ｔ０に対応してＰ３に保たれている。時刻ｔ１から昇
温が開始され、ヒータ出力がＰ３からＰ６に増大され
る。本来であれば昇温過程終了時刻ｔ６までこのヒータ
出力が維持されるはずである。

【００９５】しかしながら、時刻ｔ２に至って温度差Δ
Ｔが許容範囲ΔＴｐｅｒを越えたことからヒータ出力が
Ｐ６からＰ５まで低減され、その結果として昇温レート
が低下する。

【００９６】時刻ｔ３において、温度差ΔＴが許容範囲
ΔＴｐｅｒ内になったことからヒータ出力は再びＰ６ま
で増大され、昇温レートは再び増加する。

【００９７】時刻ｔ４からｔ５では、温度差ΔＴが許容
範囲を越えたことからヒータ出力は再びＰ５まで低下
し、昇温レートが低減する。

【００９８】時刻ｔ５からｔ６では温度差ΔＴが許容範
囲ΔＴｐｅｒ以内であるので、ヒータ出力はＰ６に上昇
する。

【００９９】そして、時刻ｔ６に至って代表温度が設定
温度Ｔｓｐに達したことから、ヒータの出力はこの設定
温度Ｔｓｐを維持するのに充分な出力Ｐ４まで低減され
る。

【０１００】（２）時刻ｔ７に至って降温工程が開始さ
れ、ヒータ出力は速やかな降温のため出力Ｐ１まで低下
される。その後、時刻ｔ８からｔ９、および時刻ｔ１０
からｔ１１では温度差ΔＴが許容範囲を越えたことから
ヒータ出力がＰ２まで上昇せられそれに伴って降温レー
トが低下する。

【０１０１】時刻ｔ９からｔ１０、時刻ｔ１１からｔ１
２では速やかな降温のためヒータ出力はＰ１まで低下せ
られる。

【０１０２】時刻ｔ１２に至って代表温度Ｔｒが保持温
度Ｔ０に到達したことから、ヒータ出力は保持温度Ｔ０
を維持するに適した出力Ｐ３まで再び上昇される。

【０１０３】以上のように、代表温度Ｔｒおよび温度差
ΔＴおよび目標温度プロファイルＴｗ、温度差の許容範
囲ΔＴｐｅｒによってヒータ出力の制御が行われる。

【０１０４】ヒータ出力は、代表温度Ｔｒと目標温度プ
ロファイルＴｗとの関係、さらには温度差ΔＴが許容範
囲ΔＴｐｅｒ以内にあるか否かにより、切り替わる。こ
の切替は上述のように２値的に切り替えても良いし、許
容範囲等からの外れの程度に応じて段階的に切り替えて
も差し支えない。

【０１０５】次に周縁測定箇所の決定方法について説明
する。

【０１０６】図１１は、周縁測定箇所を決定する手順を
表したフロー図である。

【０１０７】まず熱処理装置に周縁測定箇所測定用の半
導体ウエハを配置し半導体ウエハを所定の熱処理条件に
従って加熱する（Ｓ３０２）。

【０１０８】そして、半導体ウエハの温度が安定するま
で待って、半導体ウエハの周縁近傍に多数設定された測
定箇所において温度を測定する（Ｓ３０４）。

【０１０９】この測定箇所は例えば図１２Ａのように半
導体ウエハの周縁に沿って同心円上に等間隔で設定する
ことができる。測定箇所の個数は、複数であれば特に限
定されないが、例えば、５以上、８以上、１６以上を選
ぶことができる。

【０１１０】また、場合によっては図１２Ｂのように複
数の同心円上に測定箇所を設定しても差し支えない。温
度測定の方法としては例えば、半導体ウエハに熱電対等
の温度センサを設置しておけばよい。

【０１１１】測定箇所から温度が最低である最低温度箇
所さらには温度が最高である最高温度箇所を選定する
（Ｓ３０６）。

【０１１２】最後に、最低温度箇所または最低温度箇所
の少なくとも何れかが含まれるように周縁測定箇所を決
定する（Ｓ３０８）。

【０１１３】周縁測定箇所に最低温度箇所または最低温
度箇所の何れかがが含まれるようにしていることから、
周縁測定箇所の個数が少なくても温度分布を正確に反映
した周縁温度の測定が容易となる。

【０１１４】周縁測定箇所は、半導体ウエハの中心に対
して対称になるように設定するのが好ましく、また半導
体ウエハ上でほぼ等間隔となるように決定するのが好ま
しい。更には最低温度箇所と最高温度箇所の双方が含ま
れ、その間が等間隔になるように決定することがとりわ
け好ましい。このようにすることで、半導体ウエハの温
度分布をより的確に反映した周縁温度の測定が可能にな
る。

【０１１５】以上の発明の実施形態は、本発明の技術的
思想の範囲内で、拡張、変更が可能である。

【０１１６】例えば、基板は半導体ウエハには限られ
ず、例えばガラス基板であってもよい。

【０１１７】熱処理装置は、縦型熱処理炉には限られ
ず、また熱処理の目的は拡散、アニール、熱酸化膜の形
成、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏ
ｓｉｔｉｏｎ）による成膜（例えば、ＳｉＮ等の成膜）
のいずれであっても差し支えない。

【０１１８】ヒータは、区分されていなくても良いし、
また区分の数も５には限られない。また、ヒータの制御
には常に代表温度と温度差の双方を利用しなければなら
ないというものではなく、いずれか一方のみを利用する
ことでも差し支えない。

【０１１９】中央温度Ｔ１ｃ〜Ｔ５ｃおよび周縁温度Ｔ
１ｅ〜Ｔ５ｅは、温度センサＳ１ｉｎ〜Ｓ５ｉｎ、Ｓ１
ｏｕｔ〜Ｓ５ｏｕｔの測定信号から推定するのではな
く、直接測定しても差し支えない。この測定には、例え
ば（ａ）熱電対等の温度センサをモニタウエハＷ１〜Ｗ
５に設置する方法、あるいは（ｂ）放射温度計等による
非接触測定を用いることができる。このときには、温度
センサＳ１ｉｎ〜Ｓ５ｉｎ、Ｓ１ｏｕｔ〜Ｓ５ｏｕｔの
測定信号は場合により外してもよい。

【０１２０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
基板上の温度分布をも考慮して基板の熱処理を行うこと
を可能ならしめる熱処理装置、熱処理装置の制御方法、
および半導体ウエハ上の温度を測定する箇所の決定方法
を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る縦型熱処理装置を表す一部断面
図である。

【図２】 本発明に係る縦型熱処理装置を表す斜視図で
ある。

【図３】 半導体ウエハ上における中央測定箇所、周縁
測定箇所の位置関係を示す上面図である。

【図４】 ガス供給管の開口部と半導体ウエハの位置関
係を表す上面図および一部断面図である。

【図５】 半導体ウエハ上の中央温度と周縁温度の時間
的変化を表したグラフである。

【図６】 本発明に係る熱処理装置のコントローラの詳
細を表すブロック図である。

【図７】 本発明に係る熱処理装置のコントローラによ
る制御手順を表すフロー図である。

【図８】 半導体ウエハ上の温度の度数分布を表したグ
ラフである。

【図９】 半導体ウエハ上の温度差の許容範囲を表した
グラフである。

【図１０】 本発明に係る熱処理装置によって熱処理が
行われた場合の半導体ウエハの代表温度の時間的変化を
ヒータ出力の時間変化と共に表したグラフである。

【図１１】 周縁測定箇所を決定する手順を表したフロ
ー図である。

【図１２】 周縁測定箇所を決定する場合の半導体ウエ
ハ上の測定箇所を表した上面図である。

【符号の説明】

１００ コントローラ １１０ 基板温度推定部 １２０ 代表温度・温度差算出部 １３０ ヒータ出力制御部 １３２ 処理レシピ記憶部 １３４ ヒータ出力導出部 １３６ 温度差許容範囲記憶部 １３８ ヒータ出力補正部 ２ 反応管 ２ａ 内管 ２ｂ 外管 ２１ マニホールド ２２ フェ一スプレート ２３ ウエハボート ２４ 蓋体 ２６ ボートエレベータ ２７ 排気管 ２８ 圧力調整部 ３、３１〜３５ ヒータ ４１〜４５ 電力コントローラ ５１、５２ ガス供給管 ５１０、５２０ 開口部 ６１、６２ 流量調整部 Ｓｉｎ、Ｓｏｕｔ 温度センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 富士雄 神奈川県津久井郡城山町町屋１丁目２番41 号 東京エレクトロン東北株式会社相模事 業所内 (72)発明者 安原 もゆる 東京都港区赤坂五丁目３番６号 東京エレ クトロン株式会社内 Ｆターム(参考） 4K056 AA09 BA01 BB03 CA18 FA04 FA13 5F045 AA03 AA20 BB02 DP19 EK06 EK22 GB05

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 処理室内に基板を配置して熱処理を行う
   ための熱処理装置であって、 前記基板を基板周縁から加熱するための加熱部と、 前記基板の中央近傍に位置する中央測定箇所および該基
   板の周縁近傍に位置する複数の周縁測定箇所の温度を測
   定する温度測定部と、 前記温度測定部によって測定された前記中央測定箇所お
   よび前記複数の周縁測定箇所の温度に基づき、前記基板
   の代表温度を算出する代表温度算出部と、 前記代表温度算出部によって算出された前記代表温度に
   基づいて、前記加熱部を制御する制御部とを具備するこ
   とを特徴とする熱処理装置。
2. 【請求項２】 前記代表温度算出部は、前記複数の周縁
   測定箇所の温度の平均値と前記中央測定箇所の温度とを
   重みづけ平均することによって前記代表温度を算出する
   ことを特徴とする請求項１記載の熱処理装置。
3. 【請求項３】 前記加熱部が、区分された第１のヒータ
   および第２のヒータから少なくとも構成され、 前記温度測定部が、前記第１のヒータおよび前記第２の
   ヒータそれぞれに対応して配置された第１の基板および
   第２の基板それぞれの温度を測定するものであり、 前記代表温度算出部が、前記第１の基板および前記第２
   の基板それぞれの代表温度を算出するものであり、 前記制御部が、前記第１の基板および第２の基板の代表
   温度に基づいて、前記第１のヒータおよび第２のヒータ
   を制御することを特徴とする請求項１記載の熱処理装
   置。
4. 【請求項４】 処理室内に基板を配置して熱処理を行う
   ための熱処理装置であって、 前記基板を基板周縁から加熱するための加熱部と、 前記基板の中央近傍に位置する中央測定箇所および該基
   板の周縁近傍に位置する複数の周縁測定箇所の温度を測
   定する温度測定部と、 前記中央測定箇所の温度および前記複数の周縁測定箇所
   の温度に基づき前記基板内の温度差を算出する温度差算
   出部と前記温度差算出部によって算出された前記温度差
   に基づいて、前記加熱部を制御する制御部とを具備する
   ことを特徴とする熱処理装置。
5. 【請求項５】 前記制御部が、前記温度差が所定の許容
   範囲内になるように前記加熱部を制御することを特徴と
   する請求項４記載の熱処理装置。
6. 【請求項６】 前記許容範囲が、前記基板の温度に対応
   して変化することを特徴とする請求項５記載の熱処理装
   置。
7. 【請求項７】 前記温度差算出部が、前記中央測定箇所
   と前記複数の周縁測定箇所との温度の差分より、絶対値
   が最大である該差分を選択することによって算出するこ
   とを特徴とする請求項４記載の熱処理装置。
8. 【請求項８】 前記温度測定部が、 （１）基板とは非接触の状態で前記熱処理装置に設置さ
   れる複数の温度測定手段と、前記温度センサの出力信号
   から基板の中央測定箇所および周縁測定箇所の温度を推
   定する推定手段と、から構成される （２）熱処理装置内に配置された基板に設置された温度
   測定手段から構成される （３）放射温度計から構成される のいずれかである、ことを特徴とする請求項１または請
   求項４のいずれか１項記載の熱処理装置。
9. 【請求項９】 基板の熱処理を行う熱処理装置を制御す
   るための方法であって、 前記基板の中央近傍に位置する中央測定箇所および該基
   板の周縁近傍に位置する複数の周縁測定箇所の温度を測
   定する温度測定工程と、 前記中央測定箇所の温度および複数の周縁測定箇所の温
   度に基づき、前記基板の代表温度および該基板内の温度
   差を算出する代表温度・温度差算出工程と前記代表温度
   ・温度差算出工程によって算出された前記代表温度およ
   び前記温度差に基づき、前記熱処理装置を制御する制御
   工程とを具備することを特徴とする熱処理装置の制御方
   法。
10. 【請求項１０】 前記制御工程が、 前記代表温度に基づき、前記熱処理装置の制御パラメー
    タを導出する制御パラメータ導出工程と、 前記制御パラメータ導出工程によって導出された前記制
    御パラメータを前記温度差に基づき修正する制御パラメ
    ータ修正工程とを具備することを特徴とする熱処理装置
    の制御方法。
11. 【請求項１１】 基板の周縁近傍に位置し、かつ該基板
    を熱処理する際の温度を測定するための複数の周縁測定
    箇所を決定するための方法であって、 熱処理装置に前記基板を配置して該基板の温度が安定す
    るまで加熱する加熱工程と、 前記加熱工程によって加熱された前記基板の温度を、該
    基板の周縁近傍の５以上の箇所で測定する測定工程と、 前記測定工程によって測定された最低の温度に対応した
    最低温度箇所または最高の温度に対応した最高温度箇所
    の少なくともいずれか一方を特定する最低・最高温度箇
    所特定工程と、 前記最低・温度箇所特定工程によって特定された前記最
    低温度箇所または前記最高温度箇所のいずれか一方を含
    み、かつ前記基板の周縁に沿って該基板上を等間隔とな
    るように該基板の周縁近傍の前記周縁測定箇所を決定す
    る測定箇所決定工程とを具備することを特徴とする基板
    の周縁測定箇所を決定するための方法。
12. 【請求項１２】請求項１または請求項４のいずれか１項
    記載の熱処理装置に用いることを目的とすることを特徴
    とする請求項１１記載の基板の周縁測定箇所を決定する
    ための方法。