JP2013012617A - 気相成長装置、気相成長装置の温度制御方法および温度制御プログラム - Google Patents
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Abstract
【課題】 被処理物の温度を推定し、装置内の各種状態に影響を受けない温度制御を行う。
【解決手段】 被処理物を加熱する加熱手段と、加熱手段の温度を検出する第1検出手段を有する気相成長装置であって、気相成長装置は、当該気相成長装置の状態を検出する第2検出手段と、第1検出手段で検出された温度と、第2検出手段で検出された状態に基づいて、被処理物の表面温度を推定する温度推定手段と、温度推定手段で推定した表面温度を、予め定められた目標温度になるよう加熱手段を制御する温度制御手段によって解決する。
【選択図】 図2
【解決手段】 被処理物を加熱する加熱手段と、加熱手段の温度を検出する第1検出手段を有する気相成長装置であって、気相成長装置は、当該気相成長装置の状態を検出する第2検出手段と、第1検出手段で検出された温度と、第2検出手段で検出された状態に基づいて、被処理物の表面温度を推定する温度推定手段と、温度推定手段で推定した表面温度を、予め定められた目標温度になるよう加熱手段を制御する温度制御手段によって解決する。
【選択図】 図2
Description
本発明は、被処理物の温度状態を制御する気相成長装置に関する。
従来、半導体デバイスの製造において、原料ガスを反応室内に供給し、化合物半導体結晶を成長させる気相成長装置が用いられている。
気相成長装置を用いて被処理基板上に化合物半導体結晶を成長させる場合、反応室内の基板保持体に被処理基板が載置される。その後、アクチュエータによって基板保持体が回転させられるとともに、反応室に原料ガスが供給される。そして、供給された原料ガスは、被処理基板からの熱により加熱され、化学反応が起こり、被処理基板上に半導体結晶が成長し成膜される。
このような気相成長装置では、温度センサが検出する検出温度に基づいて、被処理基板の表面温度が目標温度になるように加熱ヒータの発熱量を制御する温度制御が成されている。
温度制御に用いられる温度センサは、被処理基板の表面温度を直接的に検出する温度センサを用いる方が望ましい。しかしながら、接触タイプの温度センサを用いると接触面周辺の成膜ができなくなる等の問題が生じる。また、パイロメータに代表される非接触タイプの温度センサは高価であってコスト面で不利となってしまう。
このことから、従来の気相成長装置では、加熱ヒータに取り付けられている接触タイプの温度センサが検出する検出温度に基づいて、被処理基板の表面温度を推定し、当該推定した表面温度が目標温度になるように加熱ヒータの発熱量を制御している。
特許文献1には、複数の処理手段を用いて被処理物を加熱し、被処理物の温度を所望の温度に制御する制御装置について記載されている。
特許文献1によれば、処理手段の温度を検出する複数の温度センサの検出温度に基づいて、前記処理手段で処理される被処理物の各処理点温度を推定し、推定された温度から平均温度および傾斜温度を算出し、各PID制御手段は、それぞれ平均温度または各傾斜温度が目標値になるように操作信号を出力し、配分手段によって、各PID制御手段による制御が、他のPID制御手段の制御に影響を与えないように、処理手段に操作を加える各操作手段に各PID制御手段からの操作信号を配分するようにしている。
しかしながら、特許文献1に記載されている被処理物の温度推定方法では、温度状態を除く装置の各種状態について考慮が成されていない。
したがって、例えば反応室内の圧力、原料ガスを供給する流量、基板保持体の回転速度などの装置の各種状態によって、被処理物の温度を実際の温度と異なって推定してしまうという課題があった。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、気相成長装置などの製造装置において、被処理物の温度を推定し、装置内の各種状態に影響を受けない温度制御を行うことを目的とする。
本発明の気相成長装置は、被処理物を加熱する加熱手段と、加熱手段の温度を検出する第1検出手段を有する気相成長装置であって、気相成長装置は、当該気相成長装置の状態を検出する第2検出手段と、第1検出手段で検出された温度と、第2検出手段で検出された状態に基づいて、被処理物の表面温度を推定する温度推定手段と、温度推定手段で推定した表面温度を、予め定められた目標温度になるよう加熱手段を制御する温度制御手段を有することを特徴とする。
好ましくは、温度推定手段は、表面温度を算出する温度推定モデルを複数有し、前記加熱手段を稼働させてからの経過時間に応じて、複数の温度推定モデルの中から1つのモデルを選択することを特徴とする。
また、好ましくは、温度推定手段は、被処理物の材質によって異なる複数の被処理物の表面温度を算出する温度推定モデルを有することを特徴とする。
また、好ましくは、本発明の気相成長装置は、温度推定手段で推定した表面温度を表示する表示手段を有することを特徴とする。
また、好ましくは、本発明の気相成長装置は、温度推定手段で推定した表面温度を記憶する記憶手段を有することを特徴とする。
また、好ましくは、本発明の気相成長装置は、温度推定手段で推定した表面温度が予め定められた範囲を逸脱した場合に、警告音を出力する出力手段を有することを特徴とする。
さらに、本発明の温度制御方法は、被処理物を加熱する加熱手段と、加熱手段の温度を検出する第1検出手段を有する気相成長装置の温度制御方法であって、気相成長装置は、当該気相成長装置の状態を検出する第2検出手段を有し、温度制御方法は、第1検出手段で検出された温度と、第2検出手段で検出された状態に基づいて、被処理物の表面温度を推定する温度推定ステップと、温度推定ステップで推定した表面温度を、予め定められた目標温度になるよう加熱手段を制御する温度制御ステップを有することを特徴とする。
さらに、本発明の温度制御プログラムは、被処理物を加熱する加熱手段と、加熱手段の温度を検出する第1検出手段を有する気相成長装置で実行される温度制御プログラムであって、気相成長装置は、当該気相成長装置の状態を検出する第2検出手段を有し、温度制御プログラムは、第1検出手段で検出された温度と、第2検出手段で検出された状態に基づいて、被処理物の表面温度を推定する温度推定ステップと、温度推定ステップで推定した表面温度を、予め定められた目標温度になるよう加熱手段を制御する温度制御ステップを有することを特徴とする。
本発明の気相成長装置では、例えば反応室内の圧力、原料ガスを供給する流量、基板保持体の回転速度などの装置の各種状態を検出し、当該検出された状態に基づいて被処理物の表面温度を推定していることから、被処理物の製造が成される環境に影響を受けない温度制御を行うことができる。
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。なお、処理内容の説明においては、「ステップ」を「S」で表し、各々の処理を数字で区別している。
図1は、本発明の実施の形態に係る気相成長装置10の概略構成を示し、以下に説明する。
気相成長装置10は、ガス導入口24から導入された原料ガスを、複数のガス流路25から均一に反応室31に供給するよう構成されている。
そして、反応室31の下部中央には不図示のアクチュエータによって回転自在の回転軸42が設けられ、回転軸42の先端には、複数のガス流路25から原料ガスが供給される面と対向するようにして、被処理基板41が載置された円盤状の基板保持体40が取り付けられている。さらに、基板保持体40の下方には基板保持体40を加熱するための加熱ヒータ50が取り付けられている。ここで、加熱ヒータ50は、不図示の電源から電力供給を受けて、ヒータ駆動回路51によって発熱量が調整される。
また、気相成長装置10には、加熱ヒータ50の温度又は消費電力を計測する温度センサ60、基板保持体40の回転速度又はアクチュエータの消費電力を計測する回転速度センサ65、反応室31内部の圧力を計測する圧力センサ66、ガス流路25から反応室31に供給される原料ガスの流量を計測する流量センサ67などの各種センサが各部要所に設けられている。
さらに、気相成長装置10には、被処理基板41の表面温度を制御するために温度調整器70が設けられている。
当該温度調整器70は、加熱ヒータ50の発熱量を制御するための温度制御コントローラ71と、目標温度などの各種情報を記憶する記憶手段75を含んで構成されている。また、目標温度などの各種情報を入力するための入力手段80、被処理基板41の推定温度などの各種情報を表示するための表示手段81、異常が生じたときに警告音を出力するための音声出力手段82なども含んでいる。
ここで、温度調整器70の各部は、たとえば気相成長装置の挙動を監視する監視装置の一部の構成物とする等、気相成長装置とは別の装置の構成物としても構わない。
図2は、温度調整器70の温度制御コントローラ71と記憶手段75の詳細構成を示し、以下に詳述する。
温度制御コントローラ71には、入力手段80から出力される利用者の操作情報や記憶手段75に記憶されている各種情報に基づいて温度制御のための初期設定等を行う初期設定部72を含んでいる。
また、温度センサ60を含む各種センサから出力される信号に基づき被処理基板41の表面温度を推定する基板温度推定部73を含んでいる。
そして、基板温度推定部73によって推定された推定温度Tempと記憶手段75に記憶されている目標温度に基づきヒータ駆動回路51に制御信号を出力することで、加熱ヒータ50の発熱量を制御する基板温度調整部74を含んで構成されている。
一方、記憶手段75には、利用者によって予め設定された目標温度を記憶するための目標温度記憶域76を含んでいる。
また、基板温度推定部73で推定された推定温度を逐次記憶するための推定温度記憶域77を含んでいる。
また、温度センサ60を含む各種センサから出力される信号に基づき被処理基板41の表面温度を推定するために用いる複数の温度推定モデルが記憶されているモデル記憶域78を含んでいる。
そして、当該モデル記憶域78に記憶されている温度推定モデルに関する管理情報が記憶されているモデル管理情報記憶域79を含んで構成されている。
図3は、モデル記憶域78に記憶されている温度推定モデルMfの概略構造を示し、以下に説明する。
温度推定モデルMfは、たとえば加熱ヒータ50を稼働させた時点を基点とする経過時間tと、温度センサ60から出力される信号値V1、回転速度センサ65から出力される信号値V2、圧力センサ66から出力される信号値V3、流量センサ67から出力される信号値V4の4つのセンサ情報を入力パラメータとし、推定温度Tempを出力パラメータとする演算式として定められている。
ここで、当該温度推定モデルMfは、準備プロセス時のモデルである昇温時モデルMUfと、成膜プロセス時の保温時モデルMKfの2種類のモデルから構成されている。
これは、被処理基板41の加熱制御や回転制御等の影響による温度変化の割合が、目標温度近傍の高温状態が維持され半導体結晶が成長している成膜プロセス中と、外気温程度の低温状態から開始される準備プロセス中で、大きく異なることに起因している。
つまり、温度推定モデルMfは、予め設定され記憶されている準備プロセス時間PTIMEが経過するまでの準備プロセス中は、昇温時モデルMUfを用いて推定温度Tempを算出する。そして、準備プロセス時間PTIMEが経過した以降の成膜プロセス中は、保温時モデルMkfを用いて推定温度Tempを算出することが可能に構成されている。
ここで、昇温時モデルMUfを使用するか保温時モデルMKfを使用するかを経過時間tによって選択するものとしているが、所定の許容範囲内の目標温度近傍の温度状態に到達したかどうかによって選択するものとしても構わない。
さらに、多くの場合、準備プロセスにおける加熱ヒータ50の制御は、さらに詳細な複数のプロセスに細分化され、当該細分化されたプロセス単位で目標温度やプロセス時間を定めて制御が成されている。このことから、被処理基板41の加熱処理や回転処理等の影響による温度変化の割合は、細分化されたプロセス毎に微妙に異なっている。
このことから、昇温時モデルMUfについても同様に、細分化されたプロセス単位で推定温度Tempが算出できるように複数のモデルで構成されるものとしても構わない。
図4は、管理情報MINFのデータ構造を示し、以下に説明する。
被処理基板41の加熱制御や回転制御等の影響による温度変化の割合は、被処理基板41の材質、気相成長装置10の各種部材の材質によっても異なる。このことから、各々の温度推定モデルMfには、被処理基板41や基板保持体40の材質に係る管理情報MINFが付与されている。
モデル管理情報記憶域79には、内容が異なる複数の管理情報MINFが記憶されており、それぞれの管理情報MINFは、モデル記憶域78に記憶されている所定の温度推定モデルMfの1つと対応付けられている。
そして、各々の管理情報MINFには、利用者が温度推定モデルMfを識別するために用いられるモデル名MNM、被処理基板41の材質に関する基板材質PMI、基板保持体40の材質や形状に関する保持体材質TMIが記憶されている。
図5は、初期設定部72の処理手順を示し、以下に説明する。
初期設定部72では、モデル管理情報記憶域79に記憶されている管理情報MINFの内容を表示手段81に一覧表示し(S100)、入力手段80を介して利用者が選択した温度推定モデルを、被処理基板41の表面温度を算出する時に用いる温度推定モデルMfとして初期設定する(S101)。そして、加熱ヒータ50を予め定めた初期発熱量で稼働させるためにヒータ駆動回路51に所定の信号を出力するとともに、加熱ヒータ50の稼働開始からの経過時間tを初期化する(S102,S103)。
S100からS103までの初期設定処理に続いて、被処理基板41の表面温度を推定し、推定した推定温度と目標温度記憶域76に記憶されている目標温度に基づく温度制御処理を行うために、基板温度推定部73を稼働させる(S104)。
S104の温度制御処理に続いて、予め定めた温度制御処理を行う周期であるTs時間待機し、経過時間tを更新する(S105,S106)。そして、入力手段80を介して利用者によって終了指示が成されたか否かを判定し(S107)し、終了指示が成されていないと判定した場合には、S104の温度制御処理に戻る。また、終了指示が成されている場合には、処理を終了する。
図6は、基板温度推定部73の処理手順を示し、以下に説明する。
基板温度推定部73では、温度センサ60、回転速度センサ65、圧力センサ66、流量センサ67のセンサ情報を取得する(S200)。
そして、経過時間tが、温度推定モデルMfの準備プロセス時間PTIMEに到達していないかどうかを判定し(S201)、準備プロセス時間PTIMEに到達していない場合には、温度推定モデルMfの昇温モデルMUfを用いて推定温度Tempを算出する(S202)。
一方、経過時間tが、準備プロセス時間PTIMEに到達している場合には、温度推定モデルMfの保温モデルMKfを用いて推定温度Tempを算出し(S203)、当該推定温度Tempが目標温度の許容範囲を大きく逸脱していないかどうかを判定し(S204)、大きく逸脱している場合には、音声出力手段82を稼働させる警告音出力処理を行い(S205)、エラー終了する。
また、昇温モデルMUfを用いて推定温度を算出した場合、又は保温モデルMKfを用いて推定温度を算出し当該推定温度が目標温度の許容範囲を大きく逸脱していない場合には、算出した推定温度Tempを推定温度記憶域77に記憶させるとともに、当該推定温度Tempを表示手段81に出力する(S206,S207)。そして、算出した推定温度Tempをパラメータとして基板温度調整部74を稼働させ(S208)、処理を終了する。
図7は、基板温度調整部74の処理手順を示し、以下に説明する。
基板温度調整部74では、基板温度推定部73から出力された推定温度Tempと、目標温度記憶域76に記憶されている目標温度を比較し、推定温度Tempが、予め定めた許容範囲より低温であるか、許容範囲より高温であるか、それとも許容範囲内であるかを判定する(S300,S301)。
そして、推定温度Tempが、予め定めた許容範囲より低温である場合には、ヒータ駆動回路51に所定の信号を出力することで加熱ヒータ50の発熱量を増大させ(S302)、処理を終了する。
一方、予め定めた許容範囲より高温である場合には、ヒータ駆動回路51に所定の信号を出力することで加熱ヒータ50の発熱量を減少させ(S303)、処理を終了する。
また、許容範囲内である場合には、加熱ヒータ50の発熱量の変更処理は行わずに、処理を終了する。
ここで、上述した処理では、加熱ヒータ50の発熱量を制御することによって温度調整を行うものとしている。しかしながら、たとえば成膜プロセス前の温度調整については、基板保持体40の回転速度を制御する等によって温度の微調整や温度変化の安定化を行うものとしても構わない。
このように、本実施の形態に係る気相成長装置10では、基板保持体40の回転速度等の被制御機器の内部状態や、反応室31内部の圧力等の被制御機器の周辺状態を検出し、当該検出された状態に基づいて被処理物の表面温度を推定していることから、被処理物の製造が成される環境に影響を受けない温度制御を行うことができる。
ここで、本実施の形態に係る気相成長装置の温度制御コントローラ71は、上述した図5から図7に従う処理手順を制御プログラムとしてメモリから読み出して実行する。このような場合、温度制御コントローラ71に読み出される、上述した図5から図7に従う制御プログラムは、本実施の形態に係る気相成長装置に付属する記録媒体に予め記録させて、プログラム製品として提供することもできる。このような記録媒体としては、CD(Compact Disc)やメモリカードなどの気相成長装置で読取り可能な記録媒体がある。あるいは、本実施の形態に係る又は気相成長装置に内蔵するハードディスクなどの記録媒体に記録させて提供することもできる。さらに、インターネットを含む各種ネットワークを介するダウンロードによって提供することもできる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
10 気相成長装置
24 ガス導入口
25 ガス流路
31 反応室
40 基板保持体
41 被処理基板
42 回転軸
50 加熱ヒータ
51 ヒータ駆動回路
60 温度センサ
65 回転速度センサ
66 圧力センサ
67 流量センサ
70 温度調整器
71 温度制御コントローラ
72 初期設定部
73 基板温度推定部
74 基板温度調整部
75 記憶手段
76 目標温度記憶域
77 推定温度記憶域
78 モデル記憶域
80 入力手段
81 表示手段
82 音声出力手段
Claims (8)
- 被処理物を加熱する加熱手段と、
前記加熱手段の温度を検出する第1検出手段を有する気相成長装置であって、
前記気相成長装置は、
該気相成長装置の状態を検出する第2検出手段と、
前記第1検出手段で検出された温度と、前記第2検出手段で検出された状態に基づいて、前記被処理物の表面温度を推定する温度推定手段と、
前記温度推定手段で推定した表面温度を、予め定められた目標温度になるよう前記加熱手段を制御する温度制御手段を有することを特徴とする気相成長装置。 - 前記温度推定手段は、
前記被処理物の表面温度を算出する温度推定モデルを複数有し、
前記加熱手段を稼働させてからの経過時間に応じて、複数の前記温度推定モデルの中から1つのモデルを選択することを特徴とする請求項1に記載の気相成長装置。 - 前記温度推定手段は、
前記被処理物の材質によって異なる複数の前記被処理物の表面温度を算出する温度推定モデルを複数有することを特徴とする請求項1に記載の気相成長装置。 - 前記気相成長装置は、
前記温度推定手段で推定した表面温度を表示する表示手段を有することを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の気相成長装置。 - 前記気相成長装置は、
前記温度推定手段で推定した表面温度を記憶する記憶手段を有することを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の気相成長装置。 - 前記気相成長装置は、
前記温度推定手段で推定した表面温度が予め定められた範囲を逸脱した場合に、警告音を出力する出力手段を有することを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の気相成長装置。 - 被処理物を加熱する加熱手段と、
前記加熱手段の温度を検出する第1検出手段を有する気相成長装置の温度制御方法であって、
前記気相成長装置は、
該気相成長装置の状態を検出する第2検出手段を有し、
前記温度制御方法は、
前記第1検出手段で検出された温度と、前記第2検出手段で検出された状態に基づいて、前記被処理物の表面温度を推定する温度推定ステップと、
前記温度推定ステップで推定した表面温度を、予め定められた目標温度になるよう前記加熱手段を制御する温度制御ステップを有することを特徴とする温度制御方法。 - 被処理物を加熱する加熱手段と、
前記加熱手段の温度を検出する第1検出手段を有する気相成長装置で実行される温度制御プログラムであって、
前記気相成長装置は、
該気相成長装置の状態を検出する第2検出手段を有し、
前記温度制御プログラムは、
前記第1検出手段で検出された温度と、前記第2検出手段で検出された状態に基づいて、前記被処理物の表面温度を推定する温度推定ステップと、
前記温度推定ステップで推定した表面温度を、予め定められた目標温度になるよう前記加熱手段を制御する温度制御ステップを有することを特徴とする温度制御プログラム。
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US11754630B2 (en) | 2019-08-29 | 2023-09-12 | Lg Energy Solution, Ltd. | Method and device for determining temperature estimating model, and battery management system to which the temperature estimating model is applied |
-
2011
- 2011-06-30 JP JP2011145104A patent/JP2013012617A/ja not_active Withdrawn
Cited By (1)
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US11754630B2 (en) | 2019-08-29 | 2023-09-12 | Lg Energy Solution, Ltd. | Method and device for determining temperature estimating model, and battery management system to which the temperature estimating model is applied |
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