JP2009111042A - 基板処理装置，基板処理装置の制御方法，およびプログラム - Google Patents

基板処理装置，基板処理装置の制御方法，およびプログラム Download PDF

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Abstract

【課題】設定温度プロファイルの決定の容易化を図った基板処理装置，基板処理装置の制御方法，およびプログラムを提供する。
【解決手段】基板処理装置が，基板への，所定の設定温度プロファイルに従う加熱および処理ガスの供給の処理によって，前記基板に膜を形成する基板処理部と，温度の変化量と膜厚の変化量との対応関係を表す第１の温度−膜厚関係を導出する第１の導出部と，前記設定温度プロファイルに従って処理された基板の複数箇所の測定膜厚を入力する入力部と，前記第１の温度−膜厚関係，前記複数箇所の測定膜厚，および所定の目標膜厚に基づいて，前記設定温度プロファイルの温度を決定する第１の決定部と，を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は，基板処理装置，基板処理装置の制御方法，およびプログラムに関する。
半導体製造プロセスにおいて，基板である半導体ウエハ（以下ウエハという）を処理する基板処理装置，例えば，縦型熱処理装置が用いられる。縦型熱処理装置では，多数枚のウエハを棚状に保持する保持具を縦型の熱処理炉内に配置し，ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）処理，酸化処理等により，基板に膜を形成する。
基板処理装置でウエハを処理するときに，ウエハ上での膜厚の均一性に欠けることがある。膜厚の均一性を向上するために，温度を変化させながら成膜する手法が開発されている（例えば，特許文献１参照）。温度を変化させながら成膜することで，ウエハ上での温度分布を制御し，膜厚分布を均一化できる。即ち，適切な設定温度プロファイルを用いることで，良好な膜厚分布が得られる。
特開２００２−１１０５５２，段落番号００９９
しかしながら，適切な設定温度プロファイルを決定するのは必ずしも容易ではない。
上記に鑑み，本発明は，設定温度プロファイルの決定の容易化を図った基板処理装置，基板処理装置の制御方法，およびプログラムを提供することを目的とする。
本発明の一態様に係る基板処理装置は，第１の温度から第２の温度へと第１の時間で温度を変化させる第１の工程と，前記第２の温度を第２の時間保持する第２の工程と，前記第２の温度から第３の温度へと第３の時間で温度を変化させる第３の工程と，を含む設定温度プロファイルを記憶する記憶部と，前記設定温度プロファイルに従う加熱および前記第３の工程での処理ガスの供給によって，基板を処理し，この基板上に膜を形成する基板処理部と，前記第１，第２，および第３の温度の何れかを変化させた設定温度プロファイルに従って基板を処理したときの，温度の変化量と前記基板の複数箇所での膜厚の変化量との対応関係を表す第１の温度−膜厚関係を導出する第１の導出部と，前記設定温度プロファイルに従って処理された基板の複数箇所の測定膜厚を入力する入力部と，前記第１の温度−膜厚関係，前記複数箇所の測定膜厚，および所定の目標膜厚に基づいて，前記第１，第２，および第３の温度を決定する第１の決定部と，前記決定された第１，第２，および第３の温度に対応する設定温度プロファイルに従って処理される基板の複数箇所での予想膜厚を算出する予想膜厚算出部と，前記所定の目標膜厚に対して前記複数箇所の予想膜厚が所定の許容範囲でない場合に，第１，第２，および第３の時間の少なくとも何れかを変化させた，第２の温度−膜厚関係を導出する第２の導出部と，前記第２の温度−膜厚関係，前記複数箇所の測定膜厚，および前記所定の目標膜厚に基づいて，前記第１，第２，および第３の温度を決定する第２の決定部と，を具備することを特徴とする。
本発明の一態様に係る基板処理装置の制御方法は，第１の温度から第２の温度へと第１の時間で温度を変化させる第１の工程と，前記第２の温度を第２の時間保持する第２の工程と，前記第２の温度から第３の温度へと第３の時間で温度を変化させる第３の工程と，を含む設定温度プロファイルに従う加熱および前記第３の工程での処理ガスの供給の処理によって，基板を処理し，この基板上に膜を形成する基板処理装置の制御方法であって，前記第１，第２，および第３の温度の何れかを変化させた設定温度プロファイルに従って基板を処理したときの，温度の変化量と前記基板の複数箇所での膜厚の変化量との対応関係を表す第１の温度−膜厚関係を導出するステップと，前記設定温度プロファイルに従って処理された基板の複数箇所の測定膜厚を入力するステップと，前記第１の温度−膜厚関係，前記複数箇所の測定膜厚，および所定の目標膜厚に基づいて，前記第１，第２，および第３の温度を決定するステップと，前記決定された第１，第２，および第３の温度に対応する設定温度プロファイルに従って処理される基板の複数箇所での予想膜厚を算出するステップと，前記所定の目標膜厚に対して前記複数箇所の予想膜厚が所定の許容範囲でない場合に，第１，第２，および第３の時間の少なくとも何れかを変化させた，第２の温度−膜厚関係を導出するステップと，前記第２の温度−膜厚関係，前記複数箇所の測定膜厚，および前記所定の目標膜厚に基づいて，前記第１，第２，および第３の温度を決定するステップと，を具備することを特徴とする。
本発明によれば，設定温度プロファイルの決定の容易化を図った基板処理装置，基板処理装置の制御方法，およびプログラムを提供できる。
以下，図面を参照して，本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態に係る基板処理装置１００を表す図である。基板処理装置１００は，基板処理部１１０，制御部１２０を有する。この図では，基板処理部１１０は，いわゆる縦型熱処理装置によって構成され，その断面が表されている。
基板処理部１１０は，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。
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，下端がマニホールド２１の上端に気密に接合されている。
反応管２内には，保持具であるウエハボート２３が配置される。ウエハボート２３は，蓋体２４の上に保温筒（断熱体）２５を介して保持される。ウエハボート２３には，多数枚の基板をなすウエハＷ（製品ウエハＷｐおよびモニタウエハＷｍ１〜Ｗｍ５）が配置される。
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の上に搭載されている。蓋体２４は，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。
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５分割されていて，各ヒータ３１〜３５が電力制御器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。
内管２ａの内壁には，ヒータ３１〜３５に対応して熱電対等の内側温度センサＳ１ｉｎ〜Ｓ５ｉｎが設置されている。また，外管２ｂの外壁にはヒータ３１〜３５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。
内管２ａの内部はヒータ３１〜３５に対応して，５つの領域（ゾーン１〜５）に区分して考えることができる。なお，反応管２内のウエハボート２３に載置されたウエハの全体は，１つのバッチを構成し，一緒に熱処理される。
この例では，各ゾーン１〜５それぞれに，モニタウエハＷｍ１〜Ｗｍ５が載置されている。但し，一般的には，ゾーンの個数とモニタウエハＷｍの枚数が一致しなくても差し支えない。例えば，５つのゾーンに，１０枚，あるいは３枚のモニタウエハＷｍを配置することも可能である。ゾーンの個数とモニタウエハＷｍの個数が一致しなくても，設定温度プロファイルの最適化が可能である。
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。
制御部１２０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。この制御部１２０には，温度センサＳ１ｉｎ〜Ｓ５ｉｎ，Ｓ１ｏｕｔ〜Ｓ５ｏｕｔからの測定信号が入力され，ヒータ３の電力制御器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。
制御部１２０は，例えば，コンピュータによって構成され，中央処理装置（ＣＰＵ(Central Processing Unit)）），入出力装置，記憶装置を有する。プログラムによって制御されることで，制御部１２０は，次の１）〜５）として機能する。
１）設定温度プロファイルを記憶する記憶部
２）温度−膜厚関係を導出する導出部
３）基板の測定膜厚を入力する入力部
４）第１〜第３の温度（温度Ｔ１〜Ｔ３）を決定する決定部
５）基板（ウエハＷ）の予想膜厚を算出する予想膜厚算出部
制御部１２０は，設定温度プロファイルに基づいて，電力制御器４１〜４５を制御し，ヒータ３１〜３５によってウエハＷを加熱する。
設定温度プロファイルは，時間の経過と設定温度（ウエハＷのあるべき温度）との関係を表したものである。
図２は，設定温度プロファイルを時間と温度の関係を表したグラフとして表現している。図２（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ，次の設定温度プロファイルを表す。
（Ａ）定温処理１
ウエハＷの処理中（ＴＶＳ３）およびその前後で設定温度が一定で，かつゾーン１〜５毎の設定温度が同一である。通常は，この定温処理１あるいは，（Ｂ）の定温処理２でウエハＷが処理される。
（Ｂ）定温処理２
ウエハＷの処理中（ＴＶＳ３）およびその前後で設定温度が一定で，かつゾーン１〜５毎の設定温度が異なる。ゾーン１〜５毎の設定温度を異ならせることで，ウエハＷ（モニタウエハＷｍ１〜Ｗｍ５）間での膜厚の均一化を図っている（ウエハ間膜厚分布の均一化）。本実施形態では，この定温処理２で先のウエハＷを処理したと想定する。
（Ｃ）温度変化処理
ウエハＷの処理中（ＴＶＳ３）に設定温度を変化させ，かつゾーン１〜５毎の設定温度が異なる。ウエハＷの処理中（ＴＶＳ３）に温度を変化させることで，ウエハＷ上での温度分布を制御し，ウエハＷ上での膜厚の均一化を図っている（ウエハ内膜厚分布の均一化）。ウエハＷの処理前（ＴＶＳ１，ＴＶＳ２）での温度制御も，ウエハＷ上での温度分布の制御を可能とする。さらに，ゾーン１〜５毎の設定温度を異ならせることで，ウエハ間膜厚分布の均一化を図っている。
以下，温度変化処理での設定温度プロファイルの詳細を説明する。
（１）時刻ｔ０からｔ１までは設定温度がＴ０に保たれている。このとき，ウエハＷを保持したウエハボート２３が基板処理部１１０内に搬入される（ロード工程）。
（２）時刻ｔ１からｔ２までの間に，設定温度は温度Ｔ０からＴ１（Ｔ１１〜Ｔ１５）まで一定のレートで上昇する（昇温工程）。なお，ゾーン１〜５によって，温度Ｔ１１〜Ｔ１５が異なることから，昇温工程の終了時刻に多少の相違がある。
（３）時刻ｔ２からｔ３の間は，設定温度はそのままＴ１（Ｔ１１〜Ｔ１５）に保たれる。実際のウエハＷの温度は設定温度を一定にしても熱的な慣性のために温度が一定になるまで多少の時間がかかる。そのため，ウエハの温度が安定するまで次の工程に移るのを控える（安定化工程）。
（４）時刻ｔ３〜ｔ５は，成膜の準備段階として，成膜時での温度分布の微調節のために用いられる。即ち，時刻ｔ３〜ｔ５での設定温度プロファイルは，成膜時の温度分布に影響を与える。
１）時刻ｔ３からｔ４までの間に，設定温度は温度Ｔ１（Ｔ１１〜Ｔ１５）からＴ２（Ｔ２１〜Ｔ２５）まで一定のレートで上昇する（ＴＶＳ１：昇温工程）。
２）この例では，時刻ｔ４からｔ５の間は，設定温度はそのままＴ２（Ｔ２１〜Ｔ２５）に保たれる（ＴＶＳ２：定温工程）。但し，この工程ＴＶＳ２を変温工程（昇温工程または降温工程）とすることも可能である。即ち，時刻ｔ４からｔ５の間に，設定温度が温度Ｔ２から温度Ｔ２１へと変化しても良い。この場合，次の工程ＴＶＳ３は温度Ｔ２に替えて，温度Ｔ２１から開始される。
（５）時刻ｔ５からｔ６までの間，設定温度は温度Ｔ２（Ｔ２１〜Ｔ２５）からＴ３（Ｔ３１〜Ｔ３５）まで一定のレートで下降する。このときに，ガス供給管５１，５２から処理ガス例えばＳｉＨ２Ｃｌ２およびＮＨ３が基板処理部１１０の内部に導入され，例えばＣＶＤによりＳｉＮ膜が形成される（ＴＶＳ３：降温・成膜工程）。
（６）時刻ｔ６〜ｔ８は，昇温当初の温度Ｔ１（Ｔ１１〜Ｔ１５）にウエハＷの温度を戻すためのものである。
１）時刻ｔ６からｔ７までの間に，設定温度は温度Ｔ３（Ｔ３１〜Ｔ３５）からＴ１（Ｔ１１〜Ｔ１５）まで一定のレートで上昇する（昇温工程）。
２）時刻ｔ７からｔ８の間は，設定温度はそのままＴ１に保たれる（定温工程）。
（７）時刻ｔ８からｔ９の間は，設定温度がＴ１（Ｔ１１〜Ｔ１５）からＴ０まで一定のレートで低下する（降温工程）。なお，ゾーン１〜５によって，温度Ｔ１１〜Ｔ１５が異なることから，降温工程の終了時刻に多少の相違がある。
（８）時刻ｔ９以降は，設定温度がＴ０に保たれる。このとき，ウエハＷを保持したウエハボート２３が基板処理部１１０内から搬出される（アンロード工程）。
以上の設定温度プロファイルにおいて重要なのは，時刻ｔ３〜ｔ６の工程（工程ＴＶＳ１〜ＴＶＳ３）である。工程ＴＶＳ１〜ＴＶＳ３の設定温度プロファイルは，温度Ｔ１（Ｔ１１〜Ｔ１５），Ｔ２（Ｔ２１〜Ｔ２５），Ｔ３（Ｔ３１〜Ｔ３５），および時間ｔｔ１（＝ｔ４−ｔ３），ｔｔ２（＝ｔ５−ｔ４），ｔｔ３（＝ｔ６−ｔ３）によって規定できる。
工程ＴＶＳ３は，成膜工程であり，ウエハＷの膜厚およびその分布に大きな影響を与える。温度Ｔ２，Ｔ３，時間ｔｔ３を変化させると，温度の時間平均のウエハＷでの分布が変化し，ウエハＷの膜厚およびその分布が変化する。
ウエハＷの面内で膜厚分布が出現するのは，ウエハ面内での温度分布およびそれ以外の要因（例えば，ウエハ面内での処理ガスの濃度分布）があり得る。しかし，要因がそのいずれであってもウエハＷ面内での温度分布を制御することで膜厚分布の均一化が可能である。例えば，ウエハＷの周縁近傍と中央近傍とで，温度が異なる。前者はウエハＷの外部（ヒータ３等）に近いため加熱，冷却され易い。後者はウエハＷの外部から遠いため加熱，冷却され難い。このため，降温工程では，ウエハＷの周縁近傍が中央近傍より先に温度が低下する。この結果，降温工程では，ウエハＷの周縁近傍での温度（時間平均温度）が中央近傍の温度（時間平均温度）より低い傾向となる。温度変化のレートの正負および大きさを変化することで，ウエハＷ上での温度分布の正負およびその大きさを調節することが可能となる。
これに対して，工程ＴＶＳ１，ＴＶＳ２もウエハＷの膜厚に影響を与える。工程ＴＶＳ１，ＴＶＳ２（温度Ｔ１，時間ｔｔ１，ｔｔ２）を変更すると，成膜時（特に，成膜開始時）でのウエハＷの温度分布が変化することによる。工程ＴＶＳ１，ＴＶＳ２は，工程ＴＶＳ３と比較して，変化の自由度が比較的大きく，膜厚分布の制御への利用が容易である。工程ＴＶＳ３は，成膜工程そのものであり，目標膜厚Ｄｔとの関係で変化の自由度が制約される。
設定温度プロファイルは，以上の様に時間の経過に対応して（１）温度を直接指定する他に，（２）昇温レート等の温度の変化率を指定する，あるいは（３）ヒータ出力を指定する等種々の表現方法が考えられる。結果として，時間の経過とウエハＷの温度を対応づけるものであれば，見かけ上の表現方法に拘る必要はない。
設定温度プロファイルは，ウエハＷの熱処理全体を決定する処理レシピの一部である。処理レシピには，設定温度プロファイルの他にも基板処理部１１０内からの大気の排出や処理ガスの導入等の工程が時間経過と対応して表されている。
（基板処理装置１００の動作手順）
基板処理装置１００の動作手順を説明する。図３は基板処理装置１００の動作手順の一例を表すフロー図である。
ここでは，定温処理２（図２（Ｂ））で先のウエハＷを処理し，設定温度Ｔ１（Ｔ１１〜Ｔ１５）〜Ｔ３（Ｔ３１〜Ｔ３５），設定時間ｔｔ１〜ｔｔ３を調整した温度変化処理（図２（Ｃ））で次のウエハＷを処理することを想定する。ウエハＷ間およびウエハＷ内双方での膜厚の均一化が図れる温度Ｔ１（Ｔ１１〜Ｔ１５）〜Ｔ３（Ｔ３１〜Ｔ３５），時間ｔｔ１〜ｔｔ３を求める。
Ａ．処理条件の入力（ステップＳ１１）
処理条件が入力される。図４は入力される処理条件の一例を表す。次の（１），（２）が制御部１２０に入力される。
（１）目標膜厚Ｄｔ
ウエハＷの目標膜厚Ｄｔ［ｎｍ］が入力される。目標膜厚Ｄｔは，ウエハＷの膜厚の目標値である。この例では，目標膜厚Ｄｔは，全ウエハＷの全箇所で共通としている。但し，目標膜厚Ｄｔは，全ウエハＷで共通としなくても良い。例えば，ウエハＷを複数のグループに分けて，グループ毎に（あるいはウエハＷ毎に），異なる目標膜厚Ｄｔを設定しても良い。
（２）前回処理時のレシピ（設定時間，設定温度，ガス流量，圧力）
工程ＴＶＳ１〜ＴＶＳ３それぞれについて，設定時間等が入力される。
設定時間［min］は，工程ＴＶＳ１〜ＴＶＳ３それぞれでの時間ｔｔ１〜ｔｔ３である。設定温度［℃］は，ゾーン１〜５それぞれでの温度Ｔ１（Ｔ１１〜Ｔ１５）〜Ｔ３（Ｔ３１〜Ｔ３５）である。ここでは，温度Ｔ１〜Ｔ３を一定としている（定温処理２（図２（Ｂ））に対応）。工程ＴＶＳ３においてのみＳｉＨ２Ｃｌ２の流量が０でないことから，工程ＴＶＳ３でのみ成膜がなされる。ガス流量［ｓｃｃｍ］は，反応ガスのガス種（例えば，ＳｉＨ２Ｃｌ２，ＮＨ３，Ｎ２，Ｏ２）毎に規定される。圧力［Torr］は全圧である。
Ｂ．温度−膜厚関係の導出（ステップＳ１２）
次の（１），（２）により，温度−膜厚関係が導出される。温度−膜厚関係は，温度Ｔ１（Ｔ１１〜Ｔ１５）〜Ｔ３（Ｔ３１〜Ｔ３５）の何れかを変化させた設定温度プロファイルに従ってウエハＷを処理したときの，温度の変化量とウエハＷの膜厚の変化量との対応関係を表すテーブルである
（１）予想膜厚Ｄｉｊの算出
設定温度プロファイルにおいて温度Ｔ１（Ｔ１１〜Ｔ１５）〜Ｔ３（Ｔ３１〜Ｔ３５）の何れか（Ｔｋｌ）のみを１℃（ΔＴｋｌ）上げたときの予想膜厚Ｄｉｊ（Ｔｋｌ＋ΔＴｋｌ）を算出する。
モニタウエハＷｍ１〜Ｗｍ５毎に２箇所（中央近傍および周縁近傍）での膜厚を予想することとし，予想膜厚Ｄｉｊを規定する。
パラメータｉ〜ｌは，以下の意味を有する。
ｉ（＝１〜５）：モニタウエハＷｍ１〜Ｗｍ５を識別するパラメータ
ｊ（＝１，２）：基板上の位置を識別するパラメータ，ｋ＝１，２それぞれが基板の中央近傍および周縁近傍に対応する。
ｋ（＝１〜３）：温度Ｔ１〜Ｔ３を識別するパラメータ
ｌ（＝１〜５）：ゾーン１〜５を識別するパラメータ
本実施形態では，ゾーンの個数５および温度Ｔ１〜Ｔ３に対応して，１５組の予想膜厚Ｄｉｊが算出される。また，設定温度プロファイルそのもののときの予想膜厚Ｄｉｊ（Ｔｋｌ）も算出する。なお，予想膜厚Ｄの算出方法の詳細は後述する。
（２）膜厚の差分ΔＤｉｊの算出
温度Ｔ１〜Ｔ３を変化させたときの予想膜厚Ｄｉｊ（Ｔｋｌ＋ΔＴｋｌ）と温度Ｔ１〜Ｔ３を変化させないときの予想膜厚Ｄｉｊ（Ｔｋｌ）の差分ΔＤｉｊを求める。
ΔＤｉｊ＝Ｄｉｊ（Ｔｋｌ＋ΔＴｋｌ）−Ｄｉｊ（Ｔｋｌ）
この差分値ΔＤｉｊは，温度の変化量と基板の膜厚の変化量との対応関係（温度−膜厚関係）を表す。差分ΔＤｉｊは，マトリックス等の形に纏めることができる。図５に導出された温度−膜厚関係の一例を表す。
（３）予想膜厚Ｄの算出の詳細
以下，予想膜厚Ｄの算出の詳細を説明する。予想膜厚Ｄを算出するには，次の１），２）のように基板温度を推定し，この温度を用いて膜厚を算出する。
１）ウエハＷ上での温度の推定
制御部１２０は，設定温度プロファイルからモニタウエハＷｍ１〜Ｗｍ５それぞれの中央近傍での温度（中央温度）Ｔｃ１〜Ｔｃ５および周縁近傍での温度（周縁温度）Ｔｅ１〜Ｔｅ５を推定する。
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。
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。
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。
本実施形態においては入力ベクトルｕ（ｔ）は設定温度プロファイルであり，出力ベクトルｙ（ｔ）は中央温度Ｔｃ１〜Ｔｃ５および周縁温度Ｔｅ１〜Ｔｅ５である。
式（１），（２）において，設定温度プロファイルと中央温度Ｔｃ，周縁温度Ｔｅ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Ｗｍ１〜Ｗｍ５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。
定数行列Ａ，Ｂ，Ｃの組合せが定まれば，式（１），（２）を連立して解くことにより，設定温度プロファイルから中央温度Ｔｃ１〜Ｔｃ５および周縁温度Ｔｅ１〜Ｔｅ５を算出できる。定数行列Ａ，Ｂ，Ｃは，基板処理部１１０の熱特性によって定まり，これら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。
なお，以上の手法に替えて，カルマンフィルタ等の手法を用いることも可能である。
２）膜厚の算出
膜厚の成長速度（成膜速度）Ｖは，例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）のような膜の表面で行われる過程によって成膜速度が定まる界面律速過程においては，下記（３）式の理論式（アレニウスの式）で表わされることが知られている。
Ｖ＝Ｃ・ｅｘｐ（−Ｅａ／（ｋＴ）） …… 式（３）
Ｃ：プロセス定数（成膜プロセスによって定まる定数）
Ｅａ：活性化エネルギー（成膜プロセスの種類によって定まる定数），例えば，反応ガスＳｉＨ２Ｃｌ２およびＮＨ３からＳｉＮ膜を形成する場合では，１．８［ｅＶ］
ｋ：ボルツマン定数
Ｔ：絶対温度
式（３）に活性化エネルギーＥａと絶対温度Ｔ（推定された中央温度Ｔｃ，周縁温度Ｔｅ）を代入することで，ウエハの中央近傍および周縁近傍での成膜速度Ｖが定まる。成膜速度Ｖを時間で積分することで，膜厚値（予想膜厚Ｄｉｊ）が算出される。
ここでは，成膜速度Ｖを式（３）によって算出している。即ち，アレニウスの式が常に成り立つことを前提としている。しかしながら，処理条件や装置状態によっては，活性化エネルギーＥａに代入する値が最適でない等の理由で，アレニウスの式が誤差を有する場合もある。この誤差を是正するために，学習機能を用いることが考えられる。即ち，実測値を用いて計算を繰り返すことで，実際の温度と膜厚の関係を把握し，それに応じて計算で使用するパラメータを微調節する。この学習にカルマンフィルタを用いることができる。この学習機能は，ステップＳ１２，Ｓ１４のいずれかに追加することができる。
Ｃ．測定膜厚の入力（ステップＳ１３）
入力された設定温度プロファイルに従って処理されたモニタウエハＷｍ１〜Ｗｍ５の中央近傍および周縁近傍に形成された膜の膜厚の測定値Ｄ０ｉｊを入力する。
膜厚の測定には例えばエリプソメータ等の膜厚測定器を用いることができる。測定値Ｄ０ｉｊとして，中央／周縁近傍での膜厚の測定値そのものを利用できる。これに替えて，ウエハＷの複数箇所の膜厚測定からの演算によって中央／周縁近傍での膜厚を算出することもできる。演算によって，精度の高い値を中央／周縁近傍での膜厚として利用できる。
例えば，ウエハＷの９箇所（中央近傍の１点，周縁近傍の４点，中央と周縁の中間の４点）での膜厚を測定し，この測定結果に合致する式（例えば，次の式（１０））を求める。式（１０）は，ウエハ面上の膜厚Ｄを中心からの距離ｘの２次関数として表している。
Ｄ＝ａ・ｘ２＋ｂ ……式（１０）
ここで，ａ，ｂ：定数である。
この定数ａ，ｂは例えば最小２乗法を用いて算出することができる。その結果，ウエハＷの中央近傍，周縁近傍での膜厚Ｄ０ｉｊを算出できる。
Ｄ．設定温度の算出（ステップＳ１４）
次の手順で設定温度設定温度Ｔ１（Ｔ１１〜Ｔ１５）〜Ｔ３（Ｔ３１〜Ｔ３５）を算出できる。なお，既述のように，このステップＳ１４に学習機能を追加することが可能である。
１）測定膜厚Ｄ０ｉｊと目標膜厚Ｄｔの差分（膜厚差）ΔＤ０ｉｊを算出する。
ΔＤ０ｉｊ＝Ｄ０ｉｊ−Ｄｔ
２）温度変化量ΔＴｋｌの算出
膜厚差ΔＤ０ｉｊに基づき，設定温度の変化量（温度変化量）ΔＴｋｌを求める。膜厚差ΔＤ０ｉｊの分だけ，予想膜厚Ｄｉｊを変化させるためには，次の式（２０）が成立する必要がある。また，例えば，式（２１）によって，温度変化量ΔＴｋｌの現実的な値の範囲を設定する。
ΔＤ０ｉｊ＝Σ（ΔＤｉｊ（Ｔｋｌ）＊ΔＴｋｌ） ……式（２０）
−ΔＴ＜ΔＴｋｌ＜ΔＴ ……式（２１）
ΔＴは例えば５０℃である。式（２０）は一種の線形近似であり，成立する範囲が必ずしも広くないので，式（２１）で範囲を限定している。また，膜質との関係でも温度範囲が制限される。即ち，ウエハＷの処理温度が所定の範囲を超えると，ウエハＷに所望の膜が形成されなくなり，製造される半導体装置の不良の原因となる可能性がある。
式（２０）自体は，求めたい温度変化量ΔＴｋｌの個数が１５，式の個数が１０の連立一次方程式であるから，温度変化量ΔＴｋｌの組み合わせを求められる可能性があるが，式（２１）での限定を考慮すると，解が存在しない可能性がある。このため，次のような手法で温度変化量ΔＴｋｌを算出することが考えられる。即ち，式（２１）での条件下で，次の量Ｓが最小となる温度変化量ΔＴｋｌを算出する。この量Ｓは，目標膜厚Ｄｔとの膜厚差の二乗平均を意味する。
Ｓ＝Σ（ΔＤ０ｉｊ−Σ（ΔＤｉｊ（Ｔｋｌ）＊ΔＴｋｌ））２ ……式（２２）
３）設定温度Ｔｋｌの算出
このように温度差ΔＴｋｌが算出され，前回の処理での設定温度ＴｋｌをＴ０ｋｌとすると，次の式（２２）から次の処理での設定温度Ｔ１ｋｌが算出される。
Ｔ１ｋｌ＝Ｔ０ｋｌ＋ΔＴｋｌ ……式（２３）
Ｅ．予想膜厚Ｄ１ｉｊの算出（ステップＳ１５）
設定温度Ｔ１ｋｌでの予想膜厚Ｄ１ｉｊを算出する。
前述と同様に，ウエハＷ上での温度の推定，膜厚の算出によって，予想膜厚Ｄ１ｉｊが算出される。
Ｆ．予想膜厚が許容範囲か否かの判断・設定時間ｔｔ１〜ｔｔ３の変更（ステップＳ１６，Ｓ１７）
予想膜厚Ｄ１ｉｊが予め設定した許容範囲（均一性）にあるか否かを判断する（ステップＳ１６）。たとえば，｜Ｄ１ｉｊ−Ｄｔ｜の全てまたは一部が許容量Ｔｈ以下であるか否かが判断される。
｜Ｄ１ｉｊ−Ｄｔ｜＜Ｔｈ ……式（２４）
予想膜厚Ｄ１ｉｊが許容範囲でないとき，設定時間が変更され，ステップＳ１２〜Ｓ１６が繰り返される。
例えば，温度ｔｔ１，ｔｔ２を＋３分，−３分変化させる。この場合，変化しない場合も含め，９通りの条件について，温度−膜厚関係を導出し，設定温度の決定等がなされる。
図６に変更した設定時間の組み合わせの例を示す。設定温度Ｔ１〜Ｔ３を変化しないパターン０，設定温度Ｔ２，Ｔ３の少なくとも何れかを変化させたパターンａ〜ｈが表される。
ここで，設定時間の変更範囲（どの設定時間Ｔ１〜Ｔ３を変化させるか（全て，一部），設定時間Ｔ１〜Ｔ３それぞれの時間変化幅）は，予め決めて，制御部１２０の記憶装置に記憶させることができる。また，基板処理装置１００からの問い合わせにおうじて，利用者が適宜に入力しても良い。さらに，設定時間の変更の有無を利用者が適宜に入力しても良い。
本実施形態では，予想膜厚Ｄ１ｉｊが許容範囲であるか否かによって，設定時間ｔｔ１〜ｔｔ３を変更するか否かを決定している。これに替えて，設定時間ｔｔ１〜ｔｔ３を変更する回数を決めておき，予想膜厚Ｄ１ｉｊをその回数分算出し，その中で膜の均一性が最良の設定温度Ｔ１〜Ｔ３，設定時間ｔｔ１〜ｔｔ３の組み合わせを選択しても良い。
Ｇ．基板（ウエハＷ）の処理（ステップＳ１８）
ウエハＷを決められた設定温度Ｔｋｌで処理する。即ち，基板処理部１１０にウエハＷが搬入され，図２（Ｃ）のような設定温度プロファイルで処理される。
Ｈ．測定膜厚が許容範囲か否かの判断（ステップＳ１９）
処理されたウエハＷでの膜厚が測定され，測定膜厚が許容範囲でなければ，ステップＳ１２〜Ｓ１９の処理が繰り返される。このとき，場合により（例えば，温度−膜厚関係テーブルに大きな変動が無い場合），温度−膜厚関係テーブルの導出（ステップＳ１２）を省略しても良い。例えば，温度−膜厚関係テーブルに影響が無い範囲での再計算，ステップＳ１４に学習機能が追加されている場合が挙げられる。
（その他の実施形態）
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。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。ヒータの区分の数は５には限られない。
本発明の一実施形態に係る基板処理装置を表す図である。 設定温度プロファイルの例を表すグラフである。 基板処理装置の動作手順の一例を表すフロー図である。 入力される処理条件を表す模式図である。 温度−膜厚関係の一例を表す図である。 変更した設定時間の組み合わせの例を示す図である。
符号の説明
１００ 基板処理装置
１１０ 基板処理部
２（２ａ，２ｂ） 反応管
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 電力制御器
５１，５２ ガス供給管
６１，６２ 流量調整部
１２０ 制御部

Claims (6)

  1. 第１の温度から第２の温度へと第１の時間で温度を変化させる第１の工程と，前記第２の温度を第２の時間保持する第２の工程と，前記第２の温度から第３の温度へと第３の時間で温度を変化させる第３の工程と，を含む設定温度プロファイルを記憶する記憶部と，
    前記設定温度プロファイルに従う加熱および前記第３の工程での処理ガスの供給によって，基板を処理し，この基板上に膜を形成する基板処理部と，
    前記第１，第２，および第３の温度の何れかを変化させた設定温度プロファイルに従って基板を処理したときの，温度の変化量と前記基板の複数箇所での膜厚の変化量との対応関係を表す第１の温度−膜厚関係を導出する第１の導出部と，
    前記設定温度プロファイルに従って処理された基板の複数箇所の測定膜厚を入力する入力部と，
    前記第１の温度−膜厚関係，前記複数箇所の測定膜厚，および所定の目標膜厚に基づいて，前記第１，第２，および第３の温度を決定する第１の決定部と，
    前記決定された第１，第２，および第３の温度に対応する設定温度プロファイルに従って処理される基板の複数箇所での予想膜厚を算出する予想膜厚算出部と，
    前記所定の目標膜厚に対して前記複数箇所の予想膜厚が所定の許容範囲でない場合に，第１，第２，および第３の時間の少なくとも何れかを変化させた，第２の温度−膜厚関係を導出する第２の導出部と，
    前記第２の温度−膜厚関係，前記複数箇所の測定膜厚，および前記所定の目標膜厚に基づいて，前記第１，第２，および第３の温度を決定する第２の決定部と，
    を具備することを特徴とする基板処理装置。
  2. 前記記憶部が，複数の設定温度プロファイルを記憶し，
    前記基板処理部が，
    複数の基板を積層して保持する保持部と，
    前記複数の設定温度プロファイルそれぞれに従って発熱が制御される複数の加熱部と，を有する，
    ことを特徴とする請求項１記載の基板処理装置。
  3. 前記第１の導出部が，前記第１，第２，および第３の温度の何れかを変化させた複数の設定温度プロファイルに従って基板を処理したときの，温度の変化量と前記基板の複数箇所での膜厚の変化量との対応関係を表す第１の温度−膜厚関係を導出し，
    前記入力部が，前記複数の設定温度プロファイルに従って処理され，かつ前記複数の加熱部それぞれに対応する複数のモニタ用基板の複数箇所の測定膜厚を入力し，
    前記第１の決定部が，前記第１の温度−膜厚関係，前記複数のモニタ用基板の複数箇所の測定膜厚，および所定の目標膜厚に基づいて，前記複数の設定温度プロファイルそれぞれの第１，第２，および第３の温度を決定する，
    ことを特徴とする請求項２記載の基板処理装置。
  4. 前記第１の導出部が，
    前記第１の温度を変化させた設定温度プロファイルに従って基板を処理したときの，前記複数箇所での第１の予想膜厚を算出する第１の算出部と，
    前記第２の温度を変化させた設定温度プロファイルに従って基板を処理したときの，前記複数箇所での第２の予想膜厚を算出する第２の算出部と，
    前記第３の温度を変化させた設定温度プロファイルに従って基板を処理したときの，前記複数箇所での第３の予想膜厚を算出する第３の算出部と，
    前記設定温度プロファイルに従って基板を処理したときの，前記複数箇所での第４の予想膜厚を算出する第４の算出部と，
    前記第１〜第３の予想膜厚それぞれと前記第４の予想膜厚との差分を算出する差分算出部と，を有する
    ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の基板処理装置。
  5. 第１の温度から第２の温度へと第１の時間で温度を変化させる第１の工程と，前記第２の温度を第２の時間保持する第２の工程と，前記第２の温度から第３の温度へと第３の時間で温度を変化させる第３の工程と，を含む設定温度プロファイルに従う加熱および前記第３の工程での処理ガスの供給の処理によって，基板を処理し，この基板上に膜を形成する基板処理装置の制御方法であって，
    前記第１，第２，および第３の温度の何れかを変化させた設定温度プロファイルに従って基板を処理したときの，温度の変化量と前記基板の複数箇所での膜厚の変化量との対応関係を表す第１の温度−膜厚関係を導出するステップと，
    前記設定温度プロファイルに従って処理された基板の複数箇所の測定膜厚を入力するステップと，
    前記第１の温度−膜厚関係，前記複数箇所の測定膜厚，および所定の目標膜厚に基づいて，前記第１，第２，および第３の温度を決定するステップと，
    前記決定された第１，第２，および第３の温度に対応する設定温度プロファイルに従って処理される基板の複数箇所での予想膜厚を算出するステップと，
    前記所定の目標膜厚に対して前記複数箇所の予想膜厚が所定の許容範囲でない場合に，第１，第２，および第３の時間の少なくとも何れかを変化させた，第２の温度−膜厚関係を導出するステップと，
    前記第２の温度−膜厚関係，前記複数箇所の測定膜厚，および前記所定の目標膜厚に基づいて，前記第１，第２，および第３の温度を決定するステップと，
    を具備することを特徴とする基板処理装置の制御方法。
  6. 請求項５記載の基板処理装置の制御方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。
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