JP2005236248A

JP2005236248A - 温度検出システム

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Publication number: JP2005236248A
Application number: JP2004196386A
Authority: JP
Inventors: Hideto Yamaguchi; 英人山口; Katsunao Kasatsugu; 克尚笠次
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2004-01-20
Filing date: 2004-07-02
Publication date: 2005-09-02

Abstract

【課題】
熱処理装置の内部において、半導体ウェハに対する処理に寄与した温度を正確に検出する
。
【解決手段】処理条件を示す設定値に基づいて、被処理基板に対して所定の処理を行
う半導体処理装置と、所定の処理がなされた被処理基板の処理結果を測定する処理結果測
定装置と、処理結果に寄与した被処理基板の周囲温度を検出する温度検出装置と、を備え
た温度検出システムを用い、温度検出装置は、被処理基板に対して所定の処理を行うとき
の処理条件と処理結果とに基づいて、被処理基板の周囲の温度を推定して求めるようにす
る。
【選択図】図６

Description

本発明は、被処理体（半導体基板、半導体ウェハ）を処理室に収納して熱処理する熱処
理装置において、半導体ウェハの領域の温度を検出するシステムに関する。

半導体製造の分野では、酸化、拡散、ＣＶＤ処理などによって、半導体ウェハに熱処理を
行う熱処理装置が一般的に用いられており、例えば、多数の半導体ウェハに熱処理を行う
熱処理装置として、一般にバッチ型縦型熱処理装置や横型熱処理装置等が用いられている
。
また、例えば、「特開２００２−１７５１２３号公報」は、半導体に対して熱処理を行
う際の温度制御方法を開示する。
「特開２００２−１７５１２３号公報」に開示された温度制御方法においては、少なく
とも２つの加熱ゾーンを有する加熱装置を、前記加熱ゾーンの数よりも多く、且つ各加熱
ゾーンにおける少なくとも１つのウェハ位置での温度を検出し、検出された複数の検出温
度の最大値と最小値の間に前記目標温度が含まれるように前記加熱装置を制御する技術が
開示されている。
この技術は、実際に製品（半導体装置）を処理する前準備として行われるため、ウェハ領
域の温度を測定する手段として半導体ウェハと略同形状・略同材質をし、熱電対を数点埋
め込ませたり、接触させたりしている熱電対付きウェハを用いている。この熱電対付きウ
ェハは熱電対を数点埋め込ませたり、接触させたりしているため、特にウェハの主面に対
して平行方向により広い範囲で測定できる。

しかしながら、半導体ウェハの処理工程では、処理室内に処理する際、熱電対付きウェハ
を用いることは、半導体ウェハおよび処理膜等に悪影響となる金属汚染およびパーティク
ルへの懸念から、あるいは、熱電対付きウェハのコストなどを考慮して、熱電対付きウェ
ハを熱処理装置に内包して（処理室に収納して）熱処理することは非現実的である。その
ため、代替えの方法として、熱電対付きウェハの代わりにプロファイル熱電対と呼ばれる
石英やＳＩＣ等から成る保護管内に熱電対をウェハの主面に対し垂直方向に数点設けるも
のを使用しているが、プロファイル熱電対では処理炉内の一部の温度を検出するだけであ
り、半導体ウェハに対する処理に寄与した温度を正確に検出することができない。
特開２００２−１７５１２３号公報

本発明は、上述した従来技術をふまえてさなれたものであり、熱処理装置の内部におい
て、半導体ウェハに対する処理に寄与した温度を正確に検出するシステムを提供すること
を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明にかかる半導体製造システムは、処理条件を示す設
定値に基づいて、被処理基板に対して所定の処理を行う半導体処理装置と、前記所定の処
理がなされた被処理基板の処理結果を測定する処理結果測定装置と、前記処理結果に寄与
した（使用された温度、使用された熱容量ともいう）被処理基板の周囲温度を検出する温
度検出装置と、を備えた温度検出システムであって、前記温度検出装置は、被処理基板に
対して所定の処理を行うときの処理条件と処理結果とに基づいて、被処理基板の周囲の温
度を推定して求めることを特徴とした温度検出システムを提供する。

本発明にかかる半導体製造システムおよびその装置によれば、実際に熱処理に寄与した実
効温度を求めることができる。熱処理する半導体ウェハの表面の温度をセンサの雑音誤差
などを排除して温度を検出するため、生産情報の条件の一つとしてデータベースなどに蓄
積しておけば、熱処理過程の解析など有効に利用できる。

(実施例１)
以下、この発明の実施形態を、詳細に説明する。
図１は、本発明にかかるウェハ実効温度検出装置システム１の構成を示す図である。
図１に示すようにウェハ実効温度検出システム１は、温度検出装置３、半導体製造装置４
、膜形成制御装置２２および膜厚測定装置２６から構成される。
ウェハ実効温度検出システム１は、これらの構成要素により、半導体ウェハが半導体製造
装置４で熱処理されたときの温度及び炉内の圧力、および、炉内に導入されるガスの流量
の設定値もしくは測定値と、熱処理後、膜厚測定装置２６によって測定された膜厚に基づ
いて、半導体ウェハの実効温度を算出する。
ここで示した実効温度とは、実際に熱処理に寄与した（使用された温度、使用された熱容
量ともいう）温度のことをいう。実効温度は、熱処理の結果生成された薄膜と密接に関係
する。また、前述したプロファイル熱電対と比較して、熱処理する半導体ウェハの表面の
温度をセンサの雑音誤差などを排除して温度を検出するため、生産情報の条件の一つとし
てデータベースなどに蓄積しておけば、熱処理過程の解析など有効に利用できる。
なお、ウェハ実効温度検出システム１のこれらの構成部分は、全てが同一の筐体内に一体
に構成されているか、別々の筐体内に構成されているかなどは問われない。

［ハードウェア構成］
図２は、図１に示した温度検出装置３および膜形成制御装置２２のハードウェア構成を示
す図である。
図２に示すように、温度検出装置３は、ＣＰＵ１０２およびメモリ１０４などを含むコン
ピュータ本体１０、通信ＩＦ１２、記憶装置１４および表示・入力装置１６から構成され
る。
つまり、温度検出装置３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。
なお、温度検出装置３と膜形成制御装置２２とは、規模・性能および付加装置などが異な
る他は、基本的に同じハードウェア構成をとる。
また、半導体製造装置４および膜厚測定装置２６の制御装置（図示せず）も、温度検出装
置３と同様な構成をとる。

図３は、図１に示した半導体製造装置４の断面を例示する図である。
図４は、図３に示したボート４０４およびウェハ１８０を収容した状態の反応室４０の断
面を例示する図である。
図３に示すように、半導体製造装置４はカセット授受ユニット４８０、カセット授受ユニ
ット４８０の背面側に設けられたカセットストッカ４８２、カセットストッカ４８２の上
方に設けられたバッファカセットストッカ４８４、カセットストッカ４８２の背面側に設
けられたウェハ移動機４８６、ウェハ移動機４８６の背面側に設けられ、ウェハ１８０が
セットさせたボート４０４を搬送するボートエレベータ４８８、および、ウェハ移動機４
８６の上方に設けられた反応室４０から構成される。

図４に示すように、図３に示した反応室４０は、中空のヒータ４２、石英製のアウタチュ
ーブ４４８、石英製のインナチューブ４５０、ガス導入ノズル４４０、円筒フランジ４４
２、炉口蓋４４４、排気管４４６、および、図５を参照して後述するガス流量調整器４１
０など、その他の構成部分から構成される。
ヒータ４２は、それぞれに対する温度の設定および調節が可能な５つの温度調節部分（
Ｕ，ＣＵ，ＣＣ，ＣＬ，Ｌ）４０２−１〜４０２−５を含む。
ヒータ４２の温度調整部分４０２−１〜４０２−５は、例えば、１つの連続したヒータ
４２の巻線から、複数のタップを引き出すことにより、あるいは、それぞれ独立した巻線
を有する５個のヒータを設けることにより実現される。
アウタチューブ４４８とインナチューブ４５０とは、ヒータ４２と同心に設けられ、こ
れらの間には、閉塞された筒状空間４５２が形成される。

［半導体製造装置４による膜形成］
半導体製造装置４は、例えば、いわゆる縦型ＣＶＤ装置であって、これらの構成部分に
より、反応室４０内に所定の間隔で並べられた半導体ウェハ１８０に対して、ＣＶＤによ
り、Ｓｉ3Ｎ4膜、ＳｉＯ2膜およびポリシリコン（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）膜などの形成を行う
。
半導体製造装置４による膜形成をさらに説明する。
ガス導入ノズル４４０（図４）は、アウタチューブ４４８の内部に連通し、反応ガスを
導入する。

円筒フランジ４４２は、インナチューブ４５０に連通する排気管４４６などを保持する
。
インナチューブ４５０には、石英製のボート４０４が装入され、ボート４０４は、炉口
蓋４４４に立設される。
炉口蓋４４４は、ボートエレベータ４４８（図３）に設けられ、円筒フランジ４４２の
下端を閉塞する。

被処理物のウェハ１８０は、ウェハカセット４９０（図３）に装填された状態で搬送さ
れ、カセット授受ユニット４８０（図３）に授載される。
カセット授受ユニット４８０（図３）は、このウェハ１８０を、カセットストッカ４８
２またはバッファカセットストッカ４８４に移載する。
ウェハ移動機４８６は、カセットストッカ４８２からウェハ１８０を取り出し、ボート
４０４に水平な状態で多段に装填する。

ボートエレベータ４８８（図３）は、ウェハ１８０が装填されたボート４０４を反応室
４０内に導く。
ヒータ４２の５つの温度調節部分（Ｕ，ＣＵ，ＣＣ，ＣＬ，Ｌ）４０２−１〜４０２−
５それぞれは、設定に従ってアウタチューブ４４８の内部を加熱し、ガス導入ノズル４４
０から反応ガスを導入する。
導入されたガスは、インナチューブ４５０内部を上昇し、その上部で折り返されて降下
し、排気管４４６から排出される。

このように、反応室４０において、高温下でウェハ１８０が反応ガスに接触し、膜形成
などの処理がなされる。
膜形成が終わると、ボート４０４が反応室４０から引き出され、ウェハ移動機４８６に
より、ボート４０４にセットされたウェハ１８０が、ウェハカセット４９０に移載され、
膜形成済ウェハ１８２（図１）として、外部搬送装置により搬出される。

［膜形成制御装置２２］
図５は、図１に示した膜形成制御装置２２の構成と、膜形成制御装置２２と半導体製造
装置４（図１，図３，図４）との関係を模式的に示す図である。
なお、図５は上述の事項を模式的に示すので、図５における反応室４０の各構成部分の
形状は、図３，図４とは必ずしも一致しない。
図５に示すように、図３，図４に示した反応室４０は、温度センサ４０６−１〜４０６
−５、ガス流量調整器４１０、流量センサ４１２、圧力調整装置４２０および圧力センサ
４２２をさらに含んでいる。

ヒータ駆動装置２２２−１〜２２２−５それぞれは、ヒータ４２の５つの温度調節部分４
０２-１〜４０２-５（図４，図５）それぞれへの供給エネルギーを調節する。温度センサ
４０６−１〜４０６−５それぞれは、ヒータ４２の５つの温度調節部分４０２-１〜４０
２-５に対応して反応室４０内に配設され、温度を検出する。温度センサ４０６−１〜４
０６−５はおもに熱電対で構成されるが、アウタチューブ４４８内に設置される場合は、
熱電対を石英管またはＳｉＣ等のセラミック管で覆って構成される。

ガス流量調整器４１０（図５）は、ガス導入ノズル４４０（図４）を介してアウタチュ
ーブ４４８内に導かれるガスの流量を調節する。
流量センサ４１２は、ガス導入ノズル４４０を介してアウタチューブ４４８内に供給さ
れるガスの流量を検出する。

圧力調整装置４２０は、アウタチューブ４４８内の圧力を調整する。
圧力センサ４２２は、アウタチューブ４４８内の圧力を検出する。

また、図５に示すように、膜形成制御装置２２は、温度制御装置２２０、流量制御装置２
２４、圧力制御装置２２６およびレシピ管理２２８から構成される。膜形成制御装置２２
は、これらの構成部分により、レシピ管理２２８で設定された温度・圧力およびガス流量
の設定値に基づいて半導体製造装置４の各構成部分を制御する。

レシピ管理２２８は、内部に複数のレシピを記憶しており、選択されたレシピを読み込み
、その内容にしたがって、温度、圧力、ガス流量などそれぞれの目標値を対応する制御装
置へ出力する。ここでレシピとは、反応炉４０およびその周辺で行われる処理手順を記載
したプログラムであり、反応室４０内部に設置されている温度センサ４０６−１〜４０６
−５の検出温度、アウタチューブ４４８内部の圧力、アウタチューブ４４８内部に導入さ
れるガス流量などへの指示が目標値とともに並べられ記載されたり、作成されているもの
である。

図７にレシピの内容を例示する。図７は、特に、レシピの内容のうち温度に関するものを
イメージとして図示したものである。レシピは、時系列に並べられたステップと呼ばれる
いくつかの処理単位で構成され、各ステップには、対象となる制御量の目標値とその変化
量、および、それら目標値と変化量が継続される時間が含まれている。また、各ステップ
は、そこで半導体製造装置４に何の処理をさせたいか理解を容易にするため、ステップ名
称が付加されることが多い。例えば図７では、ステップ１はボートロードステップとも呼
ばれ、温度に関して目標値Ｔｅｍｐ１、その変化量Ｒａｔｅ１が、時間Ｔｉｍｅ１だけ継
続することを意味する。ステップ２はランプアップステップとも呼ばれ、温度に関して目
標値Ｔｅｍｐ２、その変化量Ｒａｔｅ２が、時間Ｔｉｍｅ２だけ継続することを意味する
。以下、ステップ３、ステップ４も同様である。図７は説明のためレシピを簡略化したも
のであり、実際のレシピはもっと詳細に細かく分けられた多数のステップで構成される。
また、図７のようなものが、温度のみならず、圧力やガス流量に関しても構成されている
。また、温度に関してもすべての温度が１つの目標値で表されるわけではなく、複数の温
度センサに関してそれぞれ異なる目標値が設定されることもある。

温度制御装置２２０は、温度センサ４０６−１〜４０６−５それぞれにより検出される
温度が、レシピ管理２２８によってそれぞれに対して設定された温度になるように、ヒー
タ駆動装置２２２−１〜２２２−５を制御する。

流量制御装置２２４は、流量センサ４１２が検出するガスの流量の値が、レシピ管理２２
８によって設定されたガス流量の値に等しくなるように、ガス流量調整器４１０を制御し
て、反応室４０のアウタチューブ４４８内に導入されるガスの流量を制御する。
圧力制御装置２２６は、圧力センサ４２２が検出するアウタチューブ４４８内部の圧力
が、レシピ管理２２８によって設定された圧力の値に等しくなるように、圧力調整装置４
２０を制御して、反応室４０のアウタチューブ４４８内の圧力を制御する。

［膜厚測定装置２６］
膜厚測定装置２６は、半導体製造装置４による膜形成処理が済んだ複数の膜形成済ウェ
ハ１８２（図１）の内、一部または全部の測定ポイント上に形成された膜の厚さを測定す
る。

［ソフトウェア構成］
図６は、図１などに示した温度検出装置３において実行される温度検出プログラム５の構
成を示す図である。図６に示すように、温度検出プログラム５は、温度膜厚行列作成部５
００、温度膜厚行列ＤＢ（温度膜厚行列データベース）５１０、温度算出部５０２、処理
条件入力部５０４、膜厚入力部５０６、成膜結果ＤＢ（成膜結果データベース）５１２お
よびＵＩ部（ユーザインターフェース部）５０８から構成される。

温度検出プログラム５は、記録媒体１４０（図２）などを介して温度検出装置３に供給さ
れ、メモリ１０４にロードされて実行される。
温度検出プログラム５は、これらの構成部分により、後述する温度膜厚行列などを利用し
て、半導体製造装置４で熱処理された半導体ウェハの実効温度を算出する。算出された実
効温度は、温度検出装置３内のメモリ１０４または記録装置１４に一時的に記憶され、熱
処理情報としてデータベースなどに蓄積されるなどして利用される。

ＵＩ部５０８は、温度検出装置３の表示・入力装置１６から入力される後述する反応解
析式の詳細パラメータや調整係数および許容範囲などを温度膜厚行列作成部５００および
温度算出部５０２へ出力する。
温度膜厚行列ＤＢ５１０は、後述する温度膜厚行列Ｍと温度膜厚行列Ｍが作成された条件
（温度・圧力・ガス流量など）を記憶し管理する。
成膜結果ＤＢ５１２は、ウェハ１８０を熱処理したときの処理条件と、その条件で熱処理
した後で測定した膜厚データおよびそれらを基に計算した結果得られる実効温度を１組と
して関連づけて記憶し管理する。図８に成膜結果ＤＢ５１２で記憶し管理されるデータを
例示する。処理条件は処理条件入力部５０４から得られる。膜厚データは膜厚入力部５０
６から得られる。実効温度は温度算出部５０２から得られる。

処理条件入力部５０４は、膜形成制御装置２２においてレシピ管理２８８が設定する処理
条件のうち、ウェハ１８０に施される熱処理に強く影響する一部分を入力し、成膜結果Ｄ
Ｂ５１２の処理条件部分に書き出し記憶する。入力する内容は、少なくとも半導体製造装
置４で成膜処理をするステップでの設定値を含む。成膜処理をするステップが複数ある場
合は、例えば平均値や中間値などそれらの代表値とする。
膜厚入力部５０６は、膜厚測定装置２６で実測した膜厚データを入力し、成膜結果ＤＢ５
１２の膜厚データ部分に書き出す。膜厚データには反応室４０内部で熱処理したときの測
定ウェハの位置（例えばスロット番号）や測定ポイントの位置（例えばＸ−Ｙ座標）を付
加する。

温度膜厚行列作成部５００は、反応解析式を含み、反応解析式の結果を用いて、半導体製
造装置４の反応室４０内部の反応領域であるところの筒状空間４５２内でのウェハ１８０
の周囲の温度変化と、ウェハ１８０の膜厚の変化との関係をあらわす温度膜厚行列Ｍを作
成する。作成した温度膜厚行列Ｍは、作成した条件とともに温度膜厚行列ＤＢ５１０へ書
き出し記憶する。
反応解析式は、ウェハ１８０の周囲の温度とガス導入ノズル４４０からアウタチューブ４
４８内に導入されるガス流量とアウタチューブ４４８内部の圧力をもとに、ウェハ１８０
それぞれに生成する膜厚を予測することができる。その関係式は、実験で求めてもよいし
、熱流体解析プログラムを使って求めてもよい。
この熱流体解析プログラムは、たとえば市販されている汎用熱流体プログラムＦＬＵＥＮ
Ｔなどのように、一般的には、解析領域を十分小さい複数のメッシュという領域に分割し
、メッシュの一つ一つに対して、ガスの流れ、質量や相の変化（凍結や沸騰）、熱伝達お
よび化学反応などをあらわす式を適用して物理現象を電子計算機によって予測しようとす
るものを用いることができる。

反応解析式による、ウェハ１８０の膜厚ｆ_ｉと、ウェハ周囲温度ベクトルｔ、圧力および
ガス流量ベクトルｓとの関係は（式１）のように表される。
ｆ_ｉ＝Ψ（ｔ,ｓ）,i=１,〜,Ｎ（式１）
ただし、説明の簡略化のためｉはウェハ番号とし、１つのウェハ内の膜厚は一定としｆ_ｉ
を代表値とする。Ｎは総ウェハ枚数である。また、ウェハ周囲温度ベクトルも１つのウェ
ハ内の周囲温度は一定であるとしてｔ_ｉを代表値とし、ウェハ周囲ベクトルｔを（式２）
とする。圧力およびガス流量ベクトルｓはアウタチューブ４４８内の圧力と導入される複
数のガス流量をまとめてベクトル表示した。
ｔ＝［ｔ_１, ｔ₂,〜, ｔ_Ｎ］^ｔ（式２）
また、以下では膜厚ｆ_ｉとをひとまとめにしてベクトルｆで表すこともある。
ｆ＝［ｆ_１, ｆ₂,〜, ｆ_Ｎ］^ｔ（式３）
計算結果にある程度の精度を求めるならば、膜厚ｆは、例えばウェハ上の位置についてさ
らに細分化することが望ましい。また、同様の理由でウェハ周囲温度ベクトルｔは、例え
ばウェハ上の位置について細分化するほうが望ましい。

反応解析式は、半導体製造装置４の形状・材質などによって影響されるため、装置別に求
めなければならない場合がある。その場合は、１つ１つの装置それぞれに対して実験した
り、汎用熱流体プログラムを使って求めたりすると、時間やコスト（実験コスト、計算機
コスト）が増大するので、（式４）のように（式１）に調整係数α_ｉ、β_ｉを含め、装置
別差を吸収する。
ｆ_ｉ＝α_ｉ×Ψ（ｔ,ｓ）＋β_ｉ,i=１,〜,Ｎ（式４）
具体的にはα_ｉ＝０.８〜１.２程度、β_ｉ＝−０.２〜０.２程度を設定する。それぞれの
調整係数をまとめて表記し、調整係数ベクトルα、βとする。調整係数α、βは予めＵＩ
部５０８を介して設定される。
α＝［α_１, α₂,〜, α_Ｎ］^ｔ
β＝［β_１, β₂,〜, β_Ｎ］^ｔ

図９は、温度膜厚行列作成部５００における、温度膜厚行列Ｍを求める処理のフローチャ
ートである。
Ｓ１００において、まず、成膜結果ＤＢ５１２に記憶されている処理条件のうち、温度膜
厚行列Ｍが作成されていないものを探し出して温度膜厚行列Ｍの作成条件とする。次に（
式１）において、温度ｔ以外の圧力およびガス流量ベクトルｓを作成条件と同じ値ｓ_０に
設定する。
Ｓ１０２において、ウェハ周囲温度ベクトルｔの基準温度条件を決定する。この基準とな
るウェハ周囲温度ベクトル値をｔ_０とする。このｔ_０は、半導体製造装置４が温度膜厚行
列Ｍの作成条件にあるときの、ウェハ周囲温度ベクトルｔの値が望ましい。しかしながら
、そのような値を取得するのは困難なので、温度による温度膜厚行列Ｍの非線形性が損な
われない程度の適切な予想値を設定する。例えば、温度膜厚行列Ｍの作成条件の温度設定
が１０００℃の場合、ウェハ周囲温度ベクトルｔの値の幅は大きく見積もって９９０℃〜
１０１０℃程度の値と考えられるならば、ｔ_０の全ての要素値を１０００℃としたりする
。あるいは、特許文献１で開示されている行列式を参考にｔ_０の値を予測して設定しても
よい。
Ｓ１０４において、ｔ_０とｓ_０のときの膜厚ｆ_０を（式１）を使って算出する。
Ｓ１０６において、温度膜厚行列Ｍを作成するためのＮ通りの温度条件を作成する。ひと
つの方法として、例えばウェハ周囲温度ベクトルｔのそれそれ１つの要素に値を設定した
Ｎ通りのベクトルΔｔ_１〜Δｔ_Ｎを作成し、それらのベクトルΔｔ_１〜Δｔ_Ｎとｔ_０を加
算して温度条件とする。
Δｔ_１＝［Δｔ, ０,〜, ０］^ｔ
Δｔ_２＝［０, Δｔ,〜, ０］^ｔ
：
：
Δｔ_Ｎ＝［０, ０,〜, Δｔ］^ｔ
なお、Ｎ通りの温度条件の作成方法は、本方法に限定せず、ｔ_０に加算されるベクトルΔ
ｔ_１〜Δｔ_Ｎがそれぞれ互いに１次独立の関係にあればよい。例えば、Δｔには、０.１
℃〜数℃程度を設定すればよい。

Ｓ１０８において、Ｓ１０６で作成した全ての温度条件について、後述する膜厚ｆ_１〜ｆ
_Ｎが求められたかを判定する。全て求められていればＳ１１２へ進む。そうでなければＳ
１１０へ進む。
Ｓ１１０において、温度条件のうち処理されていないものについて、（式１）を使って膜
厚ｆ_１〜ｆ_Ｎを算出する。
ｆ_ｊ，ｉ＝Ψ（ｔ_ｉ,ｓ）；ｉ=１,〜,Ｎ；ｊ=１,〜,Ｎ
ｆ_ｉ＝［ｆ_１，ｉ, ｆ_2，ｉ, 〜, ｆ_Ｎ，ｉ］^ｔ；ｉ=１,〜,Ｎ
Ｓ１１２において、まず、膜厚ｆ_０からｆ_１〜ｆ_Ｎへの膜厚変化量をそれぞれ（式５）の
ように求める。
Δｆ_ｉ＝ｆ_０−ｆ_ｉ；ｉ=１,〜,Ｎ（式５）
次に、（式５）のΔｆ_１〜Δｆ_ＮおよびΔｔ_１〜Δｔ_Ｎから、（式６）のように行列Ｍを
算出する。
Ｍ＝［Δｆ_１ , Δｆ_２ ,〜, Δｆ_Ｎ］［Δｔ_１ , Δｔ_２ ,〜, Δｔ_Ｎ］^−１（式６
）
ここで［Δｆ_１ , Δｆ_２ ,〜, Δｆ_Ｎ］は、Δｆ_１ , Δｆ_２ ,〜, Δｆ_Ｎを各列とする
行列である。［Δｔ_１ , Δｔ_２ ,〜, Δｔ_Ｎ］は、Δｔ_１ , Δｔ_２ ,〜, Δｔ_Ｎを各列
とする行列であり、正方行列である。Δｔ_１ , Δｔ_２ ,〜, Δｔ_Ｎが一次独立であるの
で［Δｔ_１ , Δｔ_２ ,〜, Δｔ_Ｎ］は正則である。
（式６）によって求められた温度膜厚行列Ｍはウェハ周囲の温度変化（Δｔで表す）と膜
厚変化（Δｆで表す）との関係を、行列形式で表したものである。
Δｆ＝Ｍ・Δｔ …（式７）

図９に示す温度膜厚行列Ｍを求める処理を、さらに詳しく説明する。図１３および図１４
は具体的に処理を行ったときの、複数枚処理されるウェハの内、一枚のウェハだけに着目
した時の例である。この図１３および図１４には、ウェハ面内を９分割し、それぞれの過
程での値を明記している。尚、図１３（ａ）の括弧内数字は位置番号を表し、それは同時
にｔ_０の要素番号も表すものとする。いま、予想されるウェハ周囲温度ベクトルの初期値
ｔ_０は、図１３（ａ）のように４９９℃〜５０３℃となる（図９のＳ１００、Ｓ１０２）
。
ｔ_０＝［503 502 501 501 499 500 501 500 502］^ｔ
そして、その条件の膜厚予想が、図１３（ｂ）のようになった（図９のＳ１０４）。
ｆ_０＝［115 105 100 95 90 100 100 100 100］^ｔ
次に、第１から第９の温度条件Δｔ_１〜Δｔ_９を決定する（図９のＳ１０６）。
Δｔ_１＝［1 0 0 0 0 0 0 0 0］^ｔ
Δｔ_２＝［0 1 0 0 0 0 0 0 0］^ｔ
Δｔ_３＝［0 0 1 0 0 0 0 0 0］^ｔ
Δｔ_４＝［0 0 0 1 0 0 0 0 0］^ｔ
Δｔ_５＝［0 0 0 0 1 0 0 0 0］^ｔ
Δｔ_６＝［0 0 0 0 0 1 0 0 0］^ｔ
Δｔ_７＝［0 0 0 0 0 0 1 0 0］^ｔ
Δｔ_８＝［0 0 0 0 0 0 0 1 0］^ｔ
Δｔ_９＝［0 0 0 0 0 0 0 0 1］^ｔ
そして次に、それぞれの温度条件のときの膜厚予想を求める（図９のＳ１１０）。尚、図
１４（ａ）（ｂ）は、温度条件が（ｔ_０＋Δｔ_１）のときの例である。
ｆ_１＝［125 110 100 100 100 100 100 100 100］^ｔ
ｆ_２＝［120 115 105 100 95 100 100 100 100］^ｔ
ｆ_３＝［115 105 110 95 90 105 100 100 100］^ｔ
ｆ_４＝［120 105 100 105 95 100 100 105 100］^ｔ
ｆ_５＝［115 110 100 100 95 105 100 105 105］^ｔ
ｆ_６＝［115 105 105 95 95 110 100 105 100］^ｔ
ｆ_７＝［115 105 100 100 95 100 110 105 100］^ｔ
ｆ_８＝［115 105 100 95 90 100 105 110 105］^ｔ
ｆ_９＝［115 105 100 95 90 105 100 105 110］^ｔ
以上から、温度膜厚行列Ｍが求められる（図９のＳ１１２）。
Δｆ_１＝［10 5 0 5 10 0 0 0 0］^ｔ
Δｆ_２＝［5 10 5 5 5 0 0 0 0］^ｔ
Δｆ_３＝［0 0 10 0 0 5 0 0 0］^ｔ
Δｆ_４＝［5 0 0 10 5 0 0 5 0］^ｔ
Δｆ_５＝［0 5 0 5 5 5 0 5 5］^ｔ
Δｆ_６＝［0 0 5 0 5 10 0 5 0］^ｔ
Δｆ_７＝［0 0 0 5 5 0 10 5 0］^ｔ
Δｆ_８＝［0 0 0 0 0 0 5 10 5］^ｔ
Δｆ_９＝［0 0 0 0 0 5 0 5 10］^ｔ
つまり以下のようになる。

温度算出部５０２は、温度膜厚行列作成部５００に含まれるものと同様の反応解析式を含
み、反応解析式と温度膜厚行列などを利用して、ウェハ１８０のうち膜厚測定装置２６で
測定された特定のウェハもしくは特定のウェハの特定の位置における実効温度を算出する
。算出された実効温度は、成膜結果ＤＢ５１２の実効温度部分に書き出し記憶する。

この実効温度の算出方法は、ある特定の温度条件を意味するウェハ周囲温度ベクトルのも
とで反応解析式（式１）より得られる予想膜厚と膜厚測定装置２６にて実測した膜厚の差
を、改めてΔｆとおく。（式７）を解くことにより、予想膜厚を算出するときに反応解析
式に入力したウェハ周囲温度ベクトルと実際の温度分布の差Δｔを算出することができる
。

図１０は、温度算出部５０２の温度算出方法を、膜厚測定装置２６での測定対象が１ポイ
ントである場合について、模式的に示す図である。図１０に示すように、反応解析式（式
１）は、温度に対して非線形であることから、（式７）を解くことにより直ちに最終的な
実効温度を求めることができない。実際には、所望の実効温度に近づいてゆくように、（
式１）と（式７）を繰り返し利用してウェハ周囲温度ベクトルｔを少しずつ変更してゆく
（図１０に示すａ→ｂ、ｃ→ｄ、ｅ→ｆ、…）。

図１１は、温度算出部５０２における、実効温度を求める処理のフローチャートである。
Ｓ３００において、まず、成膜結果ＤＢ５１２に記憶されている処理条件のうち、処理条
件と膜厚データが登録されていて、実効温度が算出されていないものを探し出して実効温
度の算出条件とする。次に（式１）において、温度ｔ以外の圧力およびガス流量ベクトル
ｓを算出条件と同じ値に設定する。
次に、ウェハ周囲温度ベクトルｔに基準温度条件ｔ_ａを設定する。基準温度条件ｔ_ａは、
半導体製造装置４が実効温度の算出条件にあるときの、ウェハ周囲温度ベクトルｔの値が
望ましいが、そのような値を取得するのは困難なので、温度による温度膜厚行列Ｍの非線
形性が損なわれない程度の適切な予想値を設定する。例えば、算出条件の温度設定が１０
００℃の場合、ｔ_ａの全ての要素値を１０００℃としたりする。あるいは、特許文献１で
開示されている行列式を参考して設定してもよい。または、同じ処理条件で温度膜厚行列
Ｍを作成したときの基準温度条件ｔ_０を用いてもよい。
Ｓ３０２において、ｔとｓから（式１）を使って膜厚ｆを算出する。
Ｓ３０４において、成膜結果ＤＢ５１２に記憶されている膜厚データおよび測定ウェハの
位置および測定ポイントなどを入力し、膜厚ｆと比較し判定する。膜厚データと膜厚ｆと
の差が許容範囲であればＳ３０８へ進む。そうでなければＳ３０６へ進む。

Ｓ３０６において、（式７）の温度膜厚行列Ｍを用いてウェハ周囲温度ベクトルｔを更新
する。
Ｓ３０８において、そのときのウェハ周囲温度ベクトルｔを実効温度とし、成膜結果ＤＢ
５１２の実効温度部分に書き出し記憶する。

図１１に示す実効温度を求める処理を、図１０を参照して、さらに詳しく説明する。
基準温度条件の値は、図１０の位置ａにおける条件となる（Ｓ３００）。位置ａの条件で
反応解析式（式１）で膜厚を求めると位置ａの膜厚になり（Ｓ３０２）、その値が膜厚デ
ータとは違う（Ｓ３０４）ので、位置ｂの条件へ更新した（Ｓ３０６）。再び位置ｂの条
件で膜厚を求めた（Ｓ３０２）結果、位置ｃの膜厚であった。このようにして、位置ａ→
ｂ→ｃ→…と徐々に最終的な実効温度が求められる。

［ウェハ実効温度検出システムの作用］
図１２にウェハ実効温度検出システム１全体の処理のフローチャートを示す。
Ｓ５００において、膜形成制御装置２２が内部のレシピに従って半導体製造装置４を制御
し、その結果膜形成ウェハ１８２に膜が形成される。
Ｓ５０２において、膜形成ウェハ１８２が膜厚測定装置２６に送り込まれ、膜厚が測定さ
れる。
Ｓ５０４において、膜厚測定装置２６で測定された膜厚データ、膜形成制御装置２２での
処理条件に基づいて、温度検出装置３で実効温度が求められる。膜形成制御装置２２での
処理条件は、膜が形成される工程における、温度、圧力、ガス流量など各種の目標値また
は各種センサによる測定値（モニタ値）が含まれる。
Ｓ５０６において、求められた実効温度が温度検出装置内の成膜結果データベースに蓄積
される。
この求められた実効温度は、直ちに画面表示されたり、後で生産情報として参照されたり
、成膜解析の基礎データとしてなど、広範囲に利用することができる。

本発明は、バッチ式縦型ＣＶＤ処理装置および枚葉式ＣＶＤ処理装置に限らず、バッチ式
縦型熱処理装置、枚葉式熱処理装置やバッチ式横型ＣＶＤ処理装置、バッチ式横型熱処理
装置等ＣＶＤ装置や熱処理装置全般並びに基板処理装置全般に適用可能な半導体処理シス
テムである。

：本発明にかかるウェハ実効温度検出システムの構成図である。：温度検出装置および膜形成制御装置のハードウェア構成図である。：図１に示した膜形成装置の断面を例示する図である。：図３に示したボートおよびウェハを収容した状態の反応室の断面を例示する図である。：図１に示した膜形成制御装置の構成と、膜形成制御装置と半導体製造装置（図１，図３，図４）との関係を模式的に示す図である。：膜形成装置の構成と膜形成装置と半導体製造装置との関係を示す図である。：レシピを例示する図である。：成膜結果ＤＢ５１２で記憶し管理されるデータを例示する図表である。：温度膜厚行列を求める処理を示すフローチャートである。：温度算出部５０２の温度算出方法を、膜厚測定装置２６での測定対象が１ポイントである場合について、模式的に示す図である。：温度算出部の実効温度を求める処理を示すフローチャートである。：ウェハ実効温度検出システム全体の処理を示すフローチャートである。：温度膜厚行列の作成例を示す図である。：温度膜厚行列の作成例を示す図である。

符号の説明

１ウェハ実効温度検出システム、１８０ウェハ（半導体ウェハ）、１８２膜形成済
ウェハ、２２膜形成制御装置、２２０温度制御装置、２２２ヒータ駆動装置、２２４
流量制御装置、２２６圧力制御装置、２２８レシピ管理、２６膜厚測定装置、３温度
検出装置、１０コンピュータ本体、１０２ＣＰＵ、１０４メモリ、１２通信ＩＦ、１４
記憶装置、１４０記録媒体、１６表示・入力装置、４半導体製造装置、４０反応室
、４２ヒータ、４０２温度調整部分、４０４ボート、４０６温度センサ、４１０ガ
ス流量調整器、４１２流量センサ、４２０圧力調整装置、４２２圧力センサ、４４０
ガス導入ノズル、４４２円筒フランジ、４４４炉口蓋、４４６排気管、４４８アウタチ
ューブ、４５０インナチューブ、４５２筒状空間、４８０カセット授受ユニット、４８
２カセットストッカ、４８４バッファカセットストッカ、４８６ウェハ移動機、４８
８ボートエレベータ、４９０ウェハカセット、５００温度膜厚行列作成部、５０２温
度算出部、５０４処理条件入力部、５０６膜厚入力部、５０８ＵＩ部、５１０温度膜
厚行列ＤＢ、５１２成膜結果ＤＢ

Claims

処理条件を示す設定値に基づいて、被処理基板に対して所定の処理を行う半導体処理装
置と、前記所定の処理がなされた被処理基板の処理結果を測定する処理結果測定装置と、
前記処理結果に寄与した被処理基板の周囲温度を検出する温度検出装置と、を備えた温度
検出システムであって、
前記温度検出装置は、被処理基板に対して所定の処理を行うときの処理条件と処理結果と
に基づいて、被処理基板の周囲の温度を推定して求めることを特徴とした温度検出システ
ム。