JP2002091574A - バッチ式熱処理装置及びその制御方法 - Google Patents

バッチ式熱処理装置及びその制御方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 被処理体の温度を推定して、熱処理を行う熱
処理装置において、正確な温度を推定する。 【解決手段】 反応管２は、ヒータ３１〜３５と、温度
センサＳin1〜Ｓin5とＳout1〜Ｓout5とを備え、ウエハ
ボート２３を収容する。制御部１００は、温度センサＳ
in1〜Ｓin5とＳout1〜Ｓout5とヒータ３１〜３５の電力
を用いて、反応管２内のヒータ３１〜３５に対応する５
つのゾーンのウエハＷの温度と温度センサＳin1〜Ｓin5
の温度とを推定する。温度センサＳin1〜Ｓin5の推定温
度と実測温度との関係から、ゾーン別に推定温度と実測
温度との関係を表す関数ｆ1〜ｆ5を求める。関数ｆ1〜
ｆ5に、推定したウエハ温度を代入して、推定ウエハ温
度を校正する。校正されたウエハ温度が目標温度軌道に
収斂するように、ヒータ３１〜３５に供給する電力を個
別に制御する。

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
被処理体を多数枚一括して熱処理するバッチ式熱処理装
置に関し、特に、収容している半導体ウエハの温度を推
定し、推定結果に基づいて、最適な制御を行う適応制御
型のバッチ式熱処理装置及びその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】多数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
バッチ式熱処理装置として、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】図４は、縦型熱処理装置の外観を示す図で
あり、この装置は、縦型の加熱炉１１と、ウエハ保持具
であるウエハボート１２とを備えている。加熱炉１１
は、縦型の反応管の周囲にヒータを設けて構成され、ガ
ス供給管１１ａ及び排気管１１ｂが接続されている。
【０００４】ウエハボート１２は、複数の支柱１３を備
え、各支柱１３に形成された溝にウエハＷの周縁部を支
持することにより、被処理体である多数枚のウエハＷが
所定のピッチで棚状に保持されるように構成される。ウ
エハボート１２は、多数枚のウエハＷを保持した後に、
ボートレベータにより加熱炉１１の下方開口部を通じて
加熱炉１１内に搬入され、ウエハＷに対して所定の熱処
理が行われる。
【０００５】このような熱処理装置の制御系において
は、例えば、成膜すべき薄膜の種類、膜厚などに応じ
て、処理温度、処理圧力、ガス流量などの処理条件（処
理パラメータの目標値）が決められており、これら処理
条件を書き込んだレシピが複数用意されている。そし
て、各オペレータが薄膜の種類及び膜厚に応じたレシピ
を選択することにより、予め定められた処理条件に基づ
いて熱処理装置が運転される。
【０００６】熱処理装置は、処理温度、処理圧力、ガス
流量などの処理条件がレシピに定められた目標値に一致
させるように制御しながら、処理を行う。これらの処理
を適切に行うため、ウエハの温度、加熱炉内の圧力、ガ
ス流量などを測定する必要がある。
【０００７】加熱炉内の圧力は、圧力計により、ガス流
量は、供給管に配置された流量計を含むマスフローコン
トローラ等により、比較的正確に測定が可能である。し
かし、ウエハの温度については、測定が困難である。例
えば、ウエハに温度センサを装着して加熱炉内に収納す
る手法も考えられるが、温度センサ装着箇所に半導体素
子を形成することができず、さらに、加熱炉内全体を汚
染し、半導体装置の歩留まりを低下させる虞がある。ま
た、ウエハの周囲の雰囲気の温度を測定することも考え
られるが、この手法では、ウエハの温度を正確に測定す
ることができない。
【０００８】これらの問題を解決できる技術が、例え
ば、米国特許第５，５１７，５９４号公報に開示されて
いる。この技術は、加熱炉に複数の温度センサを配置
し、この温度センサの出力と、ヒータへの供給電力など
に基づいて、数字モデルを用いてウエハの温度を刻一刻
と推定し、推定値を用いて、ヒータ電力を制御する技術
である。この技術によれば、金属汚染などを引き起こす
ことなく、ウエハの温度を比較的正確に非接触で測定
（推定）して、熱処理装置を制御することができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】この技術によっても、
例えば、実際の装置と数学モデルを作成する際に使用し
た装置や環境の差異、さらには、プロセスの差異等によ
り、数学モデルにより推定（計算）される温度が実際の
温度とずれてしまう場合がある。この場合には、誤った
ウエハ温度に基づいてヒータ電力を制御することにな
り、所望の処理をウエハに施すことができない。
【００１０】本発明は、このような事情の下に成された
ものであり、数学モデルを用いて被処理体の温度を推定
し、推定した温度に基づいて、熱処理を行う熱処理装置
及びその制御方法において、正確な温度を推定可能とす
ることにある。また、本発明は、信頼性と歩留まりに優
れた半導体装置を製造することができるバッチ式熱処理
装置及びその制御方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明の第１の観点に係るバッチ式熱処理装置
は、複数のヒータと、複数の温度センサとを備え、内部
に被処理体を収容する加熱炉と、前記温度センサの出力
から、前記加熱炉内の被処理体の温度と前記温度センサ
自体の温度とを推定するためのモデルを記憶するメモリ
と、前記温度センサの出力から、モデルを用いて、前記
加熱炉内の被処理体の温度を推定する第１の温度推定部
と、前記モデルを用いて前記温度センサ自体の温度を推
定する第２の温度推定部と、前記温度センサの出力が示
す温度と、前記第２の温度推定部が推定した前記温度セ
ンサの温度とを比較する比較部と、比較部の比較結果に
従って、前記第１の温度推定部が推定した温度を校正す
る校正部と、前記校正部により校正された温度に従っ
て、前記複数のヒータを制御する制御手段と、を備え
る、ことを特徴とする。
【００１２】この発明によれば、温度センサの温度を実
測すると共にモデルを用いて推定する。従って、推定し
た温度と実際の温度との関係を求めることができる。被
処理体と温度センサとの温度の推定に、共通のモデルを
使用することにより、温度センサの実測温度と推定温度
との関係が、被処理体の実際の温度と推定温度との関係
にもある程度同様に適用されうる。従って、この関係な
どを被処理体の推定温度に適用することなどにより、被
処理体の推定温度を校正して、被処理体の温度をほぼ正
確に求め、これを用いて、ヒータを制御することができ
る。
【００１３】前記校正部は、例えば、前記第２の温度推
定部が推定した温度と前記温度センサの出力が示す温度
との関係ｆを求め、この関係ｆに、前記第１の温度推定
部が推定した温度を適用することにより、第１の温度推
定部が推定した温度を校正する手段を備える。具体的に
は、前記校正部は、例えば、前記第２の温度推定部が推
定した温度を基準とした時の、前記温度センサが実測し
た温度のオフセット（例えば、オフセット＝実測温度−
推定温度）を求め、第１の温度推定部が推定した被処理
体の温度に該オフセットを加算することにより、校正を
行う。或いは、前記校正部は、例えば、前記第２の温度
推定部が推定した温度に対する前記温度センサの実測値
の倍率ｋ（ｋ＝実測値／推定値）を求め、第１の温度推
定部が推定した温度にこの倍率を乗算することにより、
校正を行う。
【００１４】前記モデルは、例えば、推定した被処理体
の温度を目標値に近づけるために、ヒータを制御するた
めのモデルを含む。
【００１５】前記モデルは、例えば、前記温度センサの
出力とさらに前記ヒータの電力とから前記加熱炉内の被
処理体の温度と前記温度センサ自体の温度とを推定する
ためのモデルである。この場合、前記第１の温度推定部
は、前記温度センサの出力と前記複数のヒータの電力と
から、前記加熱炉内の被処理体の温度を推定し、前記第
２の温度推定部は、前記温度センサの出力と前記複数の
ヒータの電力とから、前記温度センサの温度を推定す
る。
【００１６】前記制御手段は、被処理体に施すべき温度
変化を示すレシピを記憶するレシピ記憶手段を備え、前
記被処理体の温度が前記レシピ記憶手段に記憶されたレ
シピに従って変化するように、前記モデルに基づいて、
前記被処理体の温度を推定し、この推定値に従って前記
ヒータを制御する。
【００１７】前記レシピ記憶手段は、前記加熱炉内の、
被処理体の配列方向の複数のゾーン別に、修正されたレ
シピを記憶し、前記制御手段は、各ゾーンのレシピに従
って前記ヒータを制御する。
【００１８】前記制御手段は、例えば、校正手段が校正
した推定ウエハ温度の組と前記複数のゾーンのレシピが
指示する温度の組とのばらつきが最小となるように、前
記ヒータを制御する。
【００１９】上記目的を達成するため、この発明の第２
の観点に係るバッチ式熱処理装置の制御方法は、複数の
ヒータと、複数の温度センサとを備え、内部に被処理体
を収容する加熱炉を有するバッチ式熱処理装置の制御方
法であって、前記温度センサの出力から、前記加熱炉内
の被処理体の温度と該温度センサ自体の温度を推定する
ためのモデルとを記憶し、前記温度センサの出力から、
前記モデルを用いて、前記加熱炉内の被処理体の温度と
前記温度センサ自体の温度とを推定し、前記温度センサ
の出力が示す温度と、前記モデルを用いて推定した温度
センサの温度とを比較し、比較結果に従って、前記モデ
ルを用いて、被処理体の推定温度を校正し、校正された
被処理体の推定温度に従って、前記複数のヒータを制御
する、ことを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】本発明のバッチ式熱処理装置を縦
型熱処理装置に適用した実施の形態について説明する。
この縦型熱処理装置は、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の下側には金属性の筒状の
マニホールド２１が設けられている。内管２ａは上端が
開口されており、マニホールド２１に支持されている。
外管２ｂは有天井に形成され、下端がマニホールド２１
の上端に気密に接合されている。
【００２１】反応管２内には、多数枚、例えば、１５０
枚の被処理体を成すウエハＷ（製品ウエハ）が水平な状
態で、上下に間隔をおいてウエハ保持具であるウエハボ
ート２３に棚状に配置されている。このウエハボート２
３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。
【００２２】反応管２の周囲には、例えば、抵抗体より
成るヒータ３が設けられている。ヒータ３は、５段に配
置されたヒータ３１〜３５から構成される。ヒータ３１
〜３５には、電力コントローラ３６〜４０より、それぞ
れ独立して電力が供給される。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。ヒータ３１
〜３５により、反応管内は、図３（ａ）に示すように５
つのゾーンに分けられている。
【００２３】また、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、理解を容易にするため、３本のガス供
給管４１，４２，４３を示している。各ガス供給管４
１，４２，４３には、ガス流量を調整するためのマスフ
ローコントローラ（ＭＦＣ）などの流量調整部４４，４
５，４６を介してジクロルシラン、アンモニア、窒素が
それぞれ供給される。さらにマニホールド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２
７が接続されている。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には、反応管２
内の圧力を調整するための、コンビネーションバルブ、
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。
【００２４】内管２ａの内面には、垂直方向に一列に５
つの熱電対（温度センサ）Ｓin1〜Ｓin5が配置されてい
る。熱電対Ｓin1〜Ｓin5は、半導体ウエハＷの金属汚染
を防止するため、例えば、石英のパイプ等によりカバー
されており、図３（ａ）に示す５つのゾーンに対応して
それぞれ配置されている。
【００２５】また、外管２ｂの外面には、垂直方向に一
列に複数の熱電対（温度測定部）Ｓout1〜Ｓout5が配置
されている。熱電対Ｓout1〜Ｓout5も、図３（ａ）に示
す５つのゾーンに対応して、それぞれ配置されている。
【００２６】この縦型熱処理装置は、反応管２内の処理
雰囲気の温度、ガス流量、圧力といった処理パラメータ
を制御するための制御部１００を備えている。この制御
部１００は、熱電対Ｓin1〜Ｓin5とＳout1〜Ｓout5の出
力信号を取り込み、ヒータ３１〜３５に接続された電力
コントローラ３６〜４０、圧力調整部２８、流量調整部
４４〜４６に制御信号を出力する。
【００２７】図２は、制御部１００の構成を示す。図２
に示すように、制御部１００は、モデル記憶部１１１
と，レシピ記憶部１１２と、ＲＯＭ１１３と、ＲＡＭ１
１４と，Ｉ／Ｏポート１１５と、ＣＰＵ１１６と、これ
らを相互に接続するバス１１７とから構成される。
【００２８】モデル記憶部１１１には、モデルＭが記憶
されている。モデルＭは、熱電対Ｓin1〜Ｓin5とＳout1
〜Ｓout5の出力信号（測定温度）及びヒータ３１〜３５
への供給電力（ヒータ31〜35に接続された電力コントロ
ーラ36〜40への制御信号に対応）からウエハボート２３
に載置されている各ゾーンのウエハＷの温度と熱電対Ｓ
in1〜Ｓin5の温度を推定し、さらに、推定した温度を目
標値に設定するためにヒータ３１〜３５に供給すべき電
力を指示するために設計されたモデル（数学モデル；高
次・多次元関数）を記憶している。このモデルＭは、例
えば、温度帯域別に用意されている。
【００２９】レシピ記憶部１１２には、この熱処理装置
で実行される成膜処理の種類に応じて、制御手順を定め
るレシピが複数種類記憶されている。各レシピは、図３
（ｂ）に示すような、ゾーン別に設定された温度レシピ
を含んでいる。
【００３０】ＲＯＭ１１３は、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシ
ュメモリ、ハードディスクなどから構成され、ＣＰＵ１
１６の動作プログラム等を記憶する記録媒体である。Ｒ
ＡＭ１１４は、ＣＰＵ１１６のワークエリアなどとして
機能する。Ｉ／Ｏポート１１５は、熱電対Ｓin1〜Ｓin5
及びＳout1〜Ｓout5の測定信号をＣＰＵ１１６に供給す
ると共に、ＣＰＵ１１６が出力する制御信号を各部へ出
力する。また、Ｉ／Ｏポート１１５には、操作パネル１
１８が接続されている。バス１１７は、各部の間で情報
を伝達する。
【００３１】ＣＰＵ１１６は、ＤＳＰなどでもよく、Ｒ
ＯＭ１１３に記憶された制御プログラムを実行し、操作
パネル１１８からの指示に従って、レシピ記憶部１１２
に記憶されているレシピに沿って、熱処理装置の動作を
制御する。
【００３２】具体的には、ＣＰＵ１１６は、モデル記憶
部１１１に記憶されているモデルＭを読み出し、また、
レシピ記憶部１１２に記憶されている複数のレシピの内
から該当するものを選択して読み出す。そして、レシピ
に従って処理動作を実行する。
【００３３】特に、この実施の形態においては、ＣＰＵ
１１６は、熱電対Ｓin1〜Ｓin5及びＳout1〜Ｓout5から
の測定値及び電力コントローラ３６〜４０への指示値
（ヒータ３１〜３５への供給電力の値）等を取り込ん
で、モデルＭにより、ゾーン１〜ゾーン５のウエハＷの
温度と熱電対Ｓin1〜Ｓin5の温度を推定する。
【００３４】さらに、熱電対Ｓin1〜Ｓin5の推定温度Ｔ
Ｅsin1〜ＴＥsin5と熱電対Ｓin1〜Ｓin5が実際に測定し
た温度（自己の温度）ＴＲsin1〜ＴＲsin5とを比較し、
両者の関係を求め、この関係を適用して、ウエハの推定
温度ＴＥｗ1〜ＴＥｗ5を校正する。そして、校正したウ
エハ温度Ｔｗ1〜Ｔｗ5が、温度レシピが指示する値に一
致するように、電力コントローラ３６〜４０に、供給電
力を指示する。
【００３５】また、ＣＰＵ１１６は、通常の熱処理装置
の制御と同様に、流量コントローラ４４〜４６への指
示、圧力調整部２８への指示なども行う。
【００３６】次に、上記構成のバッチ式熱処理装置によ
る成膜処理について説明する。まず、ウエハボート２３
に、製品ウエハ（処理対象のウエハ）Ｗが載置される。
このウエハボート２３が反応管２内にロードされると、
オペレータは、処理の開始を操作パネル１１８より指示
する。ＣＰＵ１１６は、指示に応答し、モデルＭとレシ
ピをモデル記憶部１１１とレシピ記憶部１１２からそれ
ぞれ読み出す。
【００３７】次に、読み出したレシピに従って、ヒータ
３に通電して昇温を開始する。さらに、ＣＰＵ１１６
は、熱電対Ｓin1〜Ｓin5及びＳout1〜Ｓout5の出力信
号、及びヒータ電力（電力コントローラ36〜40への制御
信号に対応）を、読み出したモデルＭに適用し、上段
（ゾーン１）、中上段（ゾーン２）、中段（ゾーン
３）、中下段（ゾーン４）、下段（ゾーン５）の５つの
ゾーンのウエハの温度ＴＥｗ1〜ＴＥｗ5と、熱電対Ｓin
1〜Ｓin5の温度ＴＥsin1〜ＴＥsin5とを推定（計算）す
る。
【００３８】ＣＰＵ１１６は、推定した熱電対Ｓin1〜
Ｓin5の温度ＴＥsin1〜ＴＥsin5と熱電対Ｓin1〜Ｓin5
の出力信号が示す温度（実測値）ＴＲsin1〜ＴＲsin5と
を比較し、比較結果に基づいて、ウエハの推定温度ＴＥ
ｗ1〜ＴＥｗ5を校正する。
【００３９】校正手法は任意である。例えば、ＴＲsinm
＝ｆm（ＴＥsinm）（但し、ｍは１，２，３，４，５）
の関係が成立する関数ｆmを求め、この関数ｆm内のＴＥ
sinmとして、推定したウエハ温度ＴＥｗmを代入し、ｆm
（ＴＥｗm）を校正されたウエハ温度とすることが可能
である。
【００４０】具体的には、例えば、熱電対Ｓin1〜Ｓin5
の実測温度ＴＲsin1〜ＴＲsin5が、推定温度ＴＥsin1〜
ＴＥsin5に、所定のオフセット値Δoffset1〜Δoffset5
を加算したような値である場合には、ウエハの推定温度
ＴＥｗ1〜ＴＥｗ5をＴＥｗ1＋Δoffset1〜ＴＥｗ5＋Δo
ffset5に修正して校正する。また、例えば、熱電対Ｓin
1〜Ｓin5の実測温度ＴＲsin1〜ＴＲsin5が推定温度ＴＥ
sin1〜ＴＥsin5に、所定の係数(倍率）ｋ1〜ｋ5を乗算
したような値である場合には、ウエハの推定温度ＴＥｗ
1〜ＴＥｗ5をｋ1〜ｋ5倍するように修正して校正する。
【００４１】さらに、数式１に示すような関係が成立す
るような場合には、数式２に示すように、校正を行って
もよい。
【数１】ＴＲsinm＝ｋm・ＴＥsinm−Δoffsetm
【数２】Ｔｗm＝ｋm・ＴＥｗm−Δoffsetm
【００４２】なお、係数ｋ1〜ｋ5、オフセットΔoffset
1〜Δoffset5を求める手法は任意であり、例えば、ノイ
ズの影響を除去するために、ＴＲsin1〜ＴＥsin5、及び
ＴＥsin1〜ＴＥsin5を積分して、係数ｋやオフセットΔ
offsetを求めてもよい。
【００４３】次に、このようにして校正したウエハ温度
が全体として温度レシピが設定している温度の組み合わ
せに最も近づくように、刻一刻とヒータ３１〜３５に供
給する電力を電力コントローラ３６〜４０を介して制御
する。即ち、校正したウエハ温度に基づいて、ウエハ温
度を適応（アダプティブ）制御する。
【００４４】例えば、時刻ｔにおける５つのゾーンのウ
エハの校正済温度がＴｗt1、Ｔｗt2、Ｔｗt3、Ｔｗt4、
Ｔｗt5であると計算され、レシピが指示する温度がＴt
1、Ｔt2、Ｔt3、Ｔt4、Ｔt5である場合には、校正済温
度と目標温度（レシピ指示温度）との差が全体として最
も小さくなるように制御が行われる。例えば、最小２乗
法を用いて、（Ｔｗt1−Ｔt1）２＋（Ｔｗt2−Ｔt2）２
＋（Ｔｗt3−Ｔt3）２＋（Ｔｗt4−Ｔt4）２＋（Ｔｗt5
−Ｔt5）２が最小になるように、ヒータ３１〜３５に供
給する電力を個々に制御する。
【００４５】表現を変えれば、熱電対Ｓin1〜Ｓin5及び
Ｓout1〜Ｓout5の出力信号及びヒータ３１〜３５の電力
に従って、各ゾーンのウエハＷの温度を刻一刻と推測
し、さらにこれを校正し、校正後のウエハ温度Ｔｗ1〜
Ｔｗ5が、予め定められているレシピが指定する温度と
なるよう５つのヒータ３１〜３５を個別に適応制御（ア
ダプティブ制御）する。
【００４６】昇温が終了すると、各ゾーン（上段、中上
段、中段、中下段、下段）の温度をそれぞれ一定に維持
するように適応制御を続ける。温度レシピが、図３
（ｂ）に示す軌道であるとすると、ＣＰＵ１１６は、校
正後のウエハ温度Ｔｗ1〜Ｔｗ5が、上段（ゾーン１）が
８５２℃、中上段（ゾーン２）が８５０℃、中段（ゾー
ン３）が８４９℃、中下段（ゾーン４）が８４８℃、下
段（ゾーン５）が８４６℃となるように制御する。
【００４７】反応管２内の温度が安定するのに十分な時
間が経過すると、反応管２に処理ガスを供給し、成膜を
開始する。成膜処理の間も、上段、中上段、中段、中下
段、下段の各ゾーンのウエハＷの温度が全体として温度
レシピの設定温度に最も近づくように温度制御を行う。
このため、上段、中上段、中段、中下段、下段の各ゾー
ンのウエハＷは、見かけ上、異なる温度で成膜処理が成
される。ただし、モデル及びレシピが、均一な膜が形成
できるように調整された値（成膜ガスの濃度や、ウエハ
の処理枚数や配置のばらつきの影響などを、熱に換算し
て調整された値）であるので、面間及び面内で比較的均
一な厚さの膜が成長する。
【００４８】成膜が終了すると、成膜ガスの供給を停止
して、反応管２内を冷却する。冷却時にも、必要に応じ
て、ウエハの温度を推定し、さらに、推定値を校正す
る。処理完了後、処理済のウエハボート２３をアンロー
ドする。
【００４９】このバッチ式熱処理装置では、制御部１０
０内に、ウエハWの温度と温度センサＳin1〜Ｓin5の温
度とを推定するためのモデルとレシピが予め用意されて
いる。従って、何らかの原因により、制御部１００が推
定するウエハ温度が実際の温度からずれてしまう場合で
も、そのずれを校正して、校正済みのウエハ温度を用い
て、適応制御により適切に成膜処理（熱処理）を行うこ
とができる。この適応制御により、ヒータ３を適切に制
御することができる。
【００５０】また、膜厚が面間及び面内で均一となるよ
うに温度レシピがゾーン毎に調整されているので、ガス
の流れ、ガス密度の分布、温度勾配等による膜厚の差の
発生を抑えることができる。
【００５１】また、Δoffset1〜Δoffset5の平均値Δｔ
aveや係数ｋ1〜ｋ5の平均値ｋaveを求め、推測したウエ
ハの温度ＴＥｗmを、例えば、ｋave・ＴＥｗm−ΔＴave
に修正して校正してもよい。
【００５２】次に、モデルとレシピの設計手法につい
て、説明する。モデルは、熱電対Ｓin1〜Ｓin5及びＳou
t1〜Ｓout5の出力（測定値）及びヒータ３１〜３５への
供給電力などから、各ゾーンのウエハＷの温度を推測
し、さらに、推測した５つの温度を全体として目的温度
に近接させるために、ヒータ３１〜３５に供給する電力
を特定可能な数学モデルであるならば任意のモデル（多
変数、多次元、多出力関数）を利用可能である。このよ
うなモデルとしては、例えば、米国特許第５，５１７，
５９４号公報に開示されたモデルを使用することができ
る。
【００５３】以下、米国特許第５，５１７，５９４号公
報に開示されたモデルを例に説明する。まず、図１に示
す熱処理装置に、中心と中心から例えば６mm離れた位置
とに熱電対ＳwcとＳweを組み込んだ５枚のテスト用ウエ
ハを用意する。次に、これらの５枚のテスト用ウエハ
が、図３（ａ）の５つのゾーンに１つずつ位置するよう
に、テスト用ウエハと通常のウエハとをウエハボート２
３に載置する。次に、このウエハボート２３を反応管２
にロードする。次に、ヒータ３１〜３５に高周波帯域の
信号及び低周波帯域の信号を印加し、熱電対Ｓin1〜Ｓi
n5及びＳout1〜Ｓout5の出力、テスト用ウエハ上の熱電
対ＳwcとＳweの出力（ウエハ温度）、ヒータに供給され
る電流などのデータを、例えば、１〜５秒のサンプリン
グ周期で取得する。
【００５４】次に、一定の温度範囲、例えば４００℃〜
１１００℃の範囲で、１００℃間隔で温度帯域を設定す
る（広温度帯域を１つのモデルでカバーすると温度の推
定などが不正確になってしまうため）。取得したデータ
から、各温度帯域について、数式３に示すＡＲＸ（自動
回帰）モデルを設定する。
【００５５】
【数３】ｙｔ＋ＡＡ１ｙｔ−１＋ＡＡ２ｙｔ−２＋...
＋ＡＡｎｙｔ−ｎ＝ＢＢ１ｕｔ−１＋ＢＢ２ｕｔ−２
＋...＋ＢＢｎｕｔ−ｎ ＋ｅｔ ｙｔ：時点ｔでの以下の内容を成分とするｐ行１列のベ
クトル 内容：熱電対Ｓin1〜Ｓin5の出力の平衡温度ｙbiasから
の変動量（この例では５成分）、熱電対Ｓout1〜Ｓout5
の出力の平衡温度ｙbiasからの変動量（この例では５成
分）、ウエハの中心部にセットした熱電対Ｓwcの出力の
平衡温度ｙ biasからの変動量（この例では５つ）、ウエ
ハの周縁部にセットした熱電対Ｓweの出力の平衡温度ｙ
biasからの変動量（この例では５つ）。従って、この例
では、ｙｔは２０行１列のベクトルとなる。 ｕｔ：時点ｔでのヒータ電力平衡値ｕbiasからの変動量
を成分とするｍ行１列のベクトル（この例では、ヒータ
が５ゾーンのため、５行１列）。 ｅｔ：ホワイトノイズを成分とするｍ行１列のベクト
ル。 ｎ：遅れ（例えば８）。 ＡＡ１〜ＡＡｎ：ｐ行ｐ列の行列（この例では、２０行
２０列）。 ＢＢ１〜ＢＢｎ：ｐ行ｍ列の行列（この例では、２０行
５列）。
【００５６】ここで、各係数ＡＡ１〜ＡＡｎとＢＢ１〜
ＢＢｎｎ を、最小二乗法などを用いて決定する。
【００５７】求められたARXモデルを空間状態方程式で
表現すると、数式４で示すようになる。
【数４】
【００５８】ここから、熱電対（Ｓin1〜Ｓin5、Ｓout1
〜Ｓout5）、温度Tthermo、ヒータ電力ｕｔからウエハ
温度を推測するモデルを求める。数式３の出力ｙｔを測
定可能部分Ｓｔ（Ｐ１行１列）とウエハ温度Ｗｔ（Ｐ２
行１列）に分ける。それに応じて、ＣをＣＳとＣＷに分
割し、ｙbiasをＳbiasとＷbiasに分割する。ウエハ温度
モデルは数式５により計算される。
【００５９】
【数５】Ｘｔ+1＝ＡＸｔ+ＢＵｔ+ｋｆｅｔ Ｓｔ＝ＣｓＸｔ+［Ｉｐ、0］ｅｔ 上式に対して適切なリカッチ方程式を解き、フィードバ
ックゲインLを求めると、ウエハ温度モデルは数式６で
示すようになる。
【００６０】
【数６】Ｘｔ+1 ＝AＸｔ+B（Uｔ+Ubias）+Ｌ（Ｔ
thermo―CSXｔ+Ｓbias）Tmodel、ｔ＝CｗXｔ+Ｗbias ここで、Tmodel、ｔが予測ウエハ温度である。
【００６１】次に、テスト用ウエハを用いてウエハ温度
を再度測定する。数式６に基づいて推定されたウエハ温
度Tmodelと実測値Twaterを比較し、モデルをチューニン
グする。このチューニング動作を必要に応じて複数回繰
り返す。
【００６２】実際の成膜形の処理速度を向上するため、
作成したモデルの次数を１０次程低次元化し、熱処理装
置に実装する。
【００６３】一方、ＣＰＵ１１６の動作プログラムに関
しては、温度の設定値から推測したウエハ温度の変動の
時間平均を最小化するように動作を設定する。
【００６４】さらに、成膜処理の種類に応じて、各ゾー
ン内で均一な成膜が可能となるような温度目標軌道Ｔtr
aj（ｔ）、すなわち、温度レシピを設計する。続いて、
５つのゾーンが全てこの温度目標軌道を追従するように
制御を行ってテスト的に成膜処理を実行する。処理後、
成膜された膜の厚さを測定し、膜厚のばらつき等をチェ
ックする。
【００６５】例えば、上段のウエハの膜厚が下段のウエ
ハの膜厚よりも小さい場合、直接的な原因は不明でも、
上段の温度を相対的に上昇させることにより、膜厚をほ
ぼ等しくすることができる。そこで、最小二乗法等を用
いて、ばらつきが最も小さくなるように、温度目標軌道
Ｔtraj（ｔ）を修正する。これが、図３（ｂ）に示すよ
うなゾーン毎の温度レシピである。この温度レシピをさ
らにチューニングすることも可能である。
【００６６】このようにして、ウエハの処理枚数及びそ
の配置に応じて、ウエハの温度推定及びウエハ温度を目
標温度とするための出力を定義するモデルと、レシピが
それぞれ設定され、モデル記憶部１１１とレシピ記憶部
１１２に記憶される。
【００６７】その後、実際の成膜時に、これらのモデル
及びレシピは適宜選択されまた読み出されて制御に使用
される。
【００６８】以上、この発明の実施の形態に係るバッチ
式の熱処理装置及びその適応制御方法、さらに、制御に
使用するモデル及びレシピの設計手法を説明したが、こ
の発明は上記実施の形態に限定されず種々の変形及び応
用が可能である。例えば、上記実施の形態では、窒化膜
形成用の熱ＣＶＤ装置を例にこの発明を説明したが、処
理の種類は任意であり、他種類の膜を形成するＣＶＤ装
置、酸化装置、エッチング装置、等の様々なバッチ式熱
処理装置に適用可能である。ただし、種類毎に、モデル
とレシピを設計する。
【００６９】また、機器構成や動作も上記実施の形態に
限定されない。例えば、上記実施の形態では、ヒータの
数を５つとし、反応管２内のゾーンを５つとしたが、ヒ
ータの数や温度ゾーンの数は任意である。また、ヒータ
は、電気抵抗型のものに限定されず、ランプなどでもよ
い。また、温度を測定するための構成も熱電対に限定さ
れず、任意の温度センサを適用可能である。
【００７０】また、モデルやその設計手法も、米国特許
５，５１７，５９４に開示されたモデルやその設計手法
に限定されるものではなく、任意のモデル及び任意の設
計手法を採用可能である。また、全ての装置について、
モデルを個々に設計するのは煩雑であり、同一仕様の熱
処理装置について１つのモデル及び／又はレシピを作成
し、これを装置毎に最適化処理することにより、モデル
及びレシピを共通化してもよい。この方法によれば、モ
デルの作成とチューニングを効率よく行うことができ
る。
【００７１】
【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、バッチ式の熱処理装置において、加熱炉内に処理枚
数や配置が異なる被処理体が収容された場合でも、適切
に処理を行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態に係る熱処理装置の構造
を示す図である。
【図２】制御部の構成例を示すブロック図である。
【図３】（ａ）は反応管内のゾーンを示し、（ｂ）はゾ
ーン別の目標温度軌道の例を示す図である。
【図４】従来の熱処理装置の構成図である。
【符号の説明】
２ 反応管 ３ ヒータ ２１ マニホールド ２３ ウエハボート ２４ 蓋体 ２５ 保温筒（断熱体） ３１ 上段ヒータ ３２ 上中断ヒータ ３３ 中段ヒータ ３４ 下中段ヒータ ３５ 下段ヒータ ３６〜４０ 電力コントローラ
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 BB03 CA10 FA04 FA13 4K061 AA01 BA09 CA08 DA05 FA07 GA02 5F045 AA03 AB33 AC03 AC12 AC15 DP19 DQ04 EK06 GB05 GB17 5H323 AA05 BB01 CA01 CB02 DA01 EE05 FF10 GG02 HH02 HH05 KK05 LL12 LL23

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】複数のヒータと、複数の温度センサとを備
    え、内部に被処理体を収容する加熱炉と、 前記温度センサの出力から、前記加熱炉内の被処理体の
    温度と前記温度センサ自体の温度とを推定するためのモ
    デルを記憶するメモリと、 前記温度センサの出力から、モデルを用いて、前記加熱
    炉内の被処理体の温度を推定する第１の温度推定部と、 前記モデルを用いて前記温度センサ自体の温度を推定す
    る第２の温度推定部と、 前記温度センサの出力が示す温度と、前記第２の温度推
    定部が推定した前記温度センサの温度とに基づいて、前
    記第１の温度推定部が推定した温度を校正する校正部
    と、 前記校正部により校正された温度に従って、前記複数の
    ヒータを制御する制御手段と、を備える、ことを特徴と
    するバッチ式熱処理装置。
  2. 【請求項２】前記校正部は、前記第２の温度推定部が推
    定した温度と前記温度センサの出力が示す温度との関係
    を求め、この関係に、前記第１の温度推定部が推定した
    温度を適用することにより、第１の温度推定部が推定し
    た温度を校正する手段を備える、ことを特徴とする請求
    項１に記載のバッチ式熱処理装置。
  3. 【請求項３】前記校正部は、前記第２の温度推定部が推
    定した温度を基準とした時の、前記温度センサが示す温
    度のオフセットを求め、該オフセットを加算するように
    第１の温度推定部が推定した温度を校正する手段を備え
    る、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のバッチ式
    熱処理装置。
  4. 【請求項４】前記校正部は、前記第２の温度推定部が推
    定した温度に対する前記温度センサの実測値の倍率を求
    め、第１の温度推定部が推定した温度にこの倍率を乗算
    することにより、校正を行う。ことを特徴とする請求項
    １、２又は３に記載のバッチ式熱処理装置。
  5. 【請求項５】前記モデルは、前記温度センサの出力とさ
    らに前記ヒータの電力とから前記加熱炉内の被処理体の
    温度と前記温度センサ自体の温度とを推定するためのモ
    デルであり、 前記第１の温度推定部は、前記温度センサの出力と前記
    複数のヒータの電力とから、前記加熱炉内の被処理体の
    温度を推定し、 前記第２の温度推定部は、前記温度センサの出力と前記
    複数のヒータの電力とから、前記温度センサの温度を推
    定する、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１
    項に記載のバッチ式熱処理装置。
  6. 【請求項６】前記モデルは、推定した被処理体の温度を
    目標値に近づけるために、ヒータを制御するためのモデ
    ルを含む、ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか
    １項に記載のバッチ式熱処理装置。
  7. 【請求項７】前記制御手段は、被処理体に施すべき温度
    変化を示すレシピを記憶するレシピ記憶手段を備え、 前記被処理体の温度が前記レシピ記憶手段に記憶された
    レシピに従って変化するように、前記モデルに基づい
    て、前記被処理体の温度を推定し、この推定値に従って
    前記ヒータを制御する、ことを特徴とする請求項１乃至
    ６のいずれか１項に記載のバッチ式熱処理装置。
  8. 【請求項８】前記レシピ記憶手段は、前記加熱炉内の、
    被処理体の配列方向の複数のゾーン別に、修正されたレ
    シピを記憶し、 前記制御手段は、各ゾーンのレシピに従って前記ヒータ
    を制御する、ことを特徴とする請求項７に記載のバッチ
    式熱処理装置。
  9. 【請求項９】前記制御手段は、校正手段が校正した推定
    ウエハ温度の組と前記複数のゾーンのレシピが指示する
    温度の組とのばらつきが最小となるように、前記ヒータ
    を制御する、ことを特徴とする請求項８に記載のバッチ
    式熱処理装置。
  10. 【請求項１０】複数のヒータと、複数の温度センサとを
    備え、内部に被処理体を収容する加熱炉を有するバッチ
    式熱処理装置の制御方法であって、 前記温度センサの出力から、前記加熱炉内の被処理体の
    温度と該温度センサ自体の温度を推定するためのモデル
    とを記憶し、 前記温度センサの出力から、前記モデルを用いて、前記
    加熱炉内の被処理体の温度と前記温度センサ自体の温度
    とを推定し、 前記温度センサの出力が示す温度と、前記モデルを用い
    て推定した温度センサの温度とを比較し、 比較結果に従って、前記モデルを用いて、被処理体の推
    定温度を校正し、 校正された被処理体の推定温度に従って、前記複数のヒ
    ータを制御する、ことを特徴とするバッチ式熱処理装置
    の制御方法。
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