JP4115470B2 - Substrate heating method - Google Patents
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Description
本発明は半導体製造装置などにおける基板加熱方法に関するものである。 The present invention relates to a substrate heating method in a semiconductor manufacturing apparatus or the like.
半導体製造装置の１つである熱処理装置に、複数の基板を１枚ずつ順次に加熱処理していく枚葉式のものがある。枚葉式熱処理装置は一般に、処理室に回転可能な基板支持部材と加熱ランプとを配置しており、被処理基板を基板支持部材上に設置し、処理室内に成膜ガスを供給し、基板温度を光学的に監視する状態において、被処理基板を加熱ランプで所定の温度まで加熱するように構成されている（たとえば特許文献１）。
しかしながら、枚葉式熱処理装置において、特に急速熱処理（ＲＴＰ：Rapid Thermal Processing）装置において、酸化プロセス等の成膜処理を行った場合、図１２に示すように、基板処理枚数が増えるにしたがって、基板上に形成される酸化膜の膜厚が厚くなる傾向が見られる。基板間の膜厚均一性（面間均一性）が得られないと、半導体装置の量産を行う上で重要な条件の１つである成膜の再現性が充分に得られなくなり、品質の安定性や製造効率が低下してしまう。上記した特許文献１では、加熱処理を開始した際の特に１枚目の基板が２枚目以降の基板に較べて膜厚が小さくなる現象を改善するために、１枚目の基板の搬入前に処理室を予備加熱することが提案されているが、２枚目以降の基板間の膜厚均一性については何ら考慮されておらず、依然として課題となっている。
However, when a film forming process such as an oxidation process is performed in a single wafer heat treatment apparatus, particularly in a rapid thermal processing (RTP) apparatus, as the number of processed substrates increases as shown in FIG. There is a tendency for the thickness of the oxide film formed thereon to increase. If film thickness uniformity between substrates (uniformity between surfaces) cannot be obtained, the reproducibility of film formation, which is one of the important conditions for mass production of semiconductor devices, cannot be obtained sufficiently, and the quality is stable. Performance and production efficiency are reduced. In the above-mentioned
本発明は、複数の基板を１枚ずつ処理室に搬入して加熱処理する際の基板間の膜厚均一性を向上できる基板加熱方法を提供することを目的とするものである。 An object of the present invention is to provide a substrate heating method capable of improving the film thickness uniformity between substrates when a plurality of substrates are carried into a processing chamber one by one and subjected to heat treatment.
枚葉式熱処理装置では通常、図１３に示すように、昇温工程と成膜工程の処理時間が基板間で一定になるように制御されている。本発明者らは、通常は制御されていない降温工程も含めて時系列温度データを収集した結果、加熱処理で得られる膜厚は、基板に加わった熱（基板温度の変位に相当する）とその間の加熱時間との積、すなわち基板に供給された熱量に比例することを見出した。 In a single wafer heat treatment apparatus, normally, as shown in FIG. 13, the processing time of the temperature raising process and the film forming process is controlled to be constant between the substrates. As a result of collecting time-series temperature data including a temperature control step that is not normally controlled, the inventors of the present invention have obtained that the film thickness obtained by the heat treatment is the heat applied to the substrate (corresponding to the displacement of the substrate temperature). It has been found that it is proportional to the product of the heating time during that period, that is, the amount of heat supplied to the substrate.
これは、基板温度が一定になるように加熱ランプより逐次熱供給がなされる間に、処理室の構成要素、例えば処理室の壁部や加熱ランプの周辺部材や基板支持台等も蓄熱効果で昇温し、基板と処理室の構成要素との熱伝導、熱輻射のエネルギー収支の関係が変化することに関連するものと思われる。このことは、制御されていない降温工程で、基板の処理枚数が増えるに従って降温カーブが緩やかになる傾向に表れている。 This is because the heat supply effect is also applied to the components of the processing chamber, such as the wall portion of the processing chamber, the peripheral members of the heating lamp, and the substrate support base, while the heat supply is sequentially performed so that the substrate temperature becomes constant. This is considered to be related to a change in the relationship between the energy balance of heat conduction and heat radiation between the substrate and the processing chamber components as the temperature rises. This shows that the temperature-decreasing curve tends to become gentler as the number of substrates processed increases in the uncontrolled temperature-decreasing process.
本発明の第１の基板加熱方法は、上記知見に基づき、基板間の膜厚を均一にするべく、基板の加熱処理時間、特に成膜工程の時間を積極的に制御することで、基板に供給される熱量を一定に保つようにしたものである。 The first substrate heating method of the present invention is based on the above knowledge, and in order to make the film thickness between the substrates uniform, the substrate heat treatment time, in particular, the time of the film forming process is positively controlled, so that The amount of heat supplied is kept constant.
すなわち、枚葉式熱処理装置において複数の基板を１枚ずつ処理室に搬入して加熱処理する際に、
（１）処理室内に順次に搬入される基板の温度を基板裏面でモニターし、
（２）各基板の温度の経時変化より基板温度の変位と加熱処理時間との積で定義される供給熱量を算出し、各基板の供給熱量と基準となる所定の基板の供給熱量との差分で定義される、処理室への蓄熱量を算出し、
（３）処理室内の基板について、前記蓄熱量の成膜温度による商として定義する、蓄熱量が成膜温度にて蓄積されるのに要する蓄熱時間を算出し、基板毎の供給熱量が一定になるように加熱処理時間を前記蓄熱時間だけ短縮することを特徴とする。
That is, when a plurality of substrates are carried into the processing chamber one by one in the single wafer heat treatment apparatus ,
(1) Monitor the temperature of the substrate sequentially carried into the processing chamber on the back side of the substrate ,
(2) Calculate the supply heat quantity defined by the product of the displacement of the substrate temperature and the heat treatment time from the change in the temperature of each substrate over time, and the difference between the supply heat quantity of each substrate and the supply heat quantity of a predetermined substrate as a reference Calculate the amount of heat stored in the processing chamber , defined in
(3) For the substrate in the processing chamber, calculate the heat storage time required for the heat storage amount to be accumulated at the film formation temperature, which is defined as the quotient of the heat storage amount at the film formation temperature , and the supply heat amount for each substrate is constant. Thus, the heat treatment time is shortened by the heat storage time .
詳細には、処理室に搬入する１枚目および２枚目の被処理基板を昇温工程と成膜工程と降温工程とを行う所定の加熱プロファイルで加熱処理し、２枚目以降のｎ枚目の被処理基板の加熱処理時に処理室に蓄積する前記蓄熱量を、１枚目とｎ枚目の被処理基板間での前記供給熱量の差分として算出するとともに、３枚目以降のｎ枚目の被処理基板については、ｎ−１枚目の被処理基板で算出された前記蓄熱量より前記蓄熱時間を算出して、算出された蓄熱時間だけ、基板を所定の成膜温度に維持する前記成膜工程の時間を短縮して加熱処理を行うことを特徴とする。 Specifically, the first and second substrates to be carried into the processing chamber are heat-treated with a predetermined heating profile for performing a temperature raising process, a film forming process, and a temperature lowering process, and the second and subsequent n sheets are processed. the heat storage amount accumulated in the processing chamber during the heat treatment of the substrate to be processed in the eye, to calculate as said difference the amount of heat supplied between the first sheet and the n-th target substrate, n pieces of third and subsequent the target substrate eyes, and calculates the heat storage time than the heat storage quantity calculated by the n-1 th target substrate, only the calculated heat accumulation time, to maintain the substrate at a predetermined film forming temperature The heat treatment is performed by shortening the time of the film forming step.
また、被処理基板と同数のモニタ基板を用意し、処理室に搬入する１枚目および２枚目のモニタ基板を昇温工程と成膜工程と降温工程とを行う所定の加熱プロファイルで加熱処理し、２枚目以降のｎ枚目のモニタ基板の加熱処理時に処理室に蓄積する前記蓄熱量を、１枚目とｎ枚目のモニタ基板間での前記供給熱量の差分として算出し、その後に、処理室に搬入する１枚目の被処理基板を前記所定の加熱プロファイルで加熱処理し、２枚目以降のｎ枚目の被処理基板については、対応する（ｎ−１）枚目のモニタ基板で算出された前記蓄熱量より前記蓄熱時間を算出して、算出された蓄熱時間だけ、基板を所定の成膜温度に維持する前記成膜工程の時間を短縮して加熱処理を行うことを特徴とする。 Also, the same number of monitor substrates as the substrates to be processed are prepared, and the first and second monitor substrates to be carried into the processing chamber are subjected to heat treatment with a predetermined heating profile for performing the temperature raising process, the film forming process, and the temperature lowering process. and, the heat storage amount accumulated in the processing chamber during the heat treatment of the n-th monitor substrate of second and subsequent sheets, calculated as the difference between the amount of heat supplied between the first sheet and the n-th monitor substrate, then In addition, the first substrate to be carried into the processing chamber is heated by the predetermined heating profile, and the second and subsequent n-th substrates are the corresponding (n−1) -th substrate. calculates the heat storage time than the heat storage quantity calculated by the monitor substrate, only the calculated heat accumulation time, a heat treatment was performed by shortening the time of the deposition step of maintaining the substrate at a predetermined film forming temperature It is characterized by.
また、ｎ枚（ｎ＞２）のモニタ基板を用意し、処理室に搬入する１枚目および２枚目のモニタ基板を昇温工程と成膜工程と降温工程とを行う所定の加熱プロファイルで加熱処理し、２枚目以降のｎ枚目のモニタ基板の加熱処理時に処理室に蓄積する前記蓄熱量を、１枚目とｎ枚目のモニタ基板間での前記供給熱量の差分として算出し、算出された各蓄熱量よりモニタ基板１枚当たりの平均蓄熱量を算出し、その後に、処理室に搬入する１枚目の被処理基板を前記所定の加熱プロファイルで加熱処理し、２枚目以降のｎ枚目の被処理基板については、前記モニタ基板で算出された平均蓄熱量を用いて単位基板当りの前記蓄熱時間を算出して、基板を所定の成膜温度に維持する前記成膜工程の時間を前記蓄熱時間ずつ順次に短縮して加熱処理を行うことを特徴とする。 In addition, n monitor substrates (n> 2) are prepared, and the first and second monitor substrates carried into the processing chamber are subjected to a heating process, a film forming process, and a temperature decreasing process with a predetermined heating profile. heat treatment, the heat storage amount accumulated in the processing chamber during the heat treatment of the n-th monitor substrate of second and subsequent sheets, calculated as the difference between the amount of heat supplied between the first sheet and the n-th monitor substrate calculates an average amount of heat stored per one respective heat storage amount by Ri monitor substrate calculated, then, heat treating the first sheet of the substrate to be loaded into the processing chamber at said predetermined heating profile, two the n-th target substrate after eye, said calculating the heat storage time per unit substrate using the average heat storage amount calculated by the monitor substrate, maintaining the board in the predetermined deposition temperature the Heat treatment is performed by sequentially shortening the time of the film formation step by the heat storage time. Cormorant be characterized.
本発明の基板加熱方法は、基板温度の経時変化より処理室への蓄熱量を推測し、基板毎の供給熱量が一定になるように、前記蓄熱量を基に、加熱処理時間を制御するか、あるいは処理室を積極的に冷却するものであり、これにより、基板間の膜厚不均一を解消し、デバイス特性の不均一を抑制することが可能になった。 In the substrate heating method of the present invention, the amount of heat stored in the processing chamber is estimated from the change over time in the substrate temperature, and the heat treatment time is controlled based on the amount of stored heat so that the amount of heat supplied to each substrate is constant. Alternatively, the processing chamber is actively cooled, thereby eliminating the non-uniform film thickness between the substrates and suppressing the non-uniform device characteristics.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の基板加熱方法に用いる熱処理装置の概略構成を示す断面図である。
この熱処理装置は、枚葉式急速熱処理装置と呼ばれるものであり、処理室１と、処理室１内で処理対象の基板（シリコンウェハ）Ｗを支持する基板支持部材２と、基板支持部材２に支持された基板Ｗを加熱するランプモジュール３と、基板支持部材上に支持された基板Ｗの温度を検出する温度センサ４とを備えている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a heat treatment apparatus used in the substrate heating method of the present invention.
This heat treatment apparatus is called a single wafer rapid heat treatment apparatus, and includes a
処理室１は、ステンレス製の円筒状の側壁部５とベース部６と蓋部７とで構成されている。側壁部５内には、側壁部５自体の変形や破損を防止するとともに、後述する機能を担う冷却水路８が設けられている。
The
基板支持部材２は、処理室１の側壁部５に対してベアリング９などの回転機構を介して取り付けられた円筒フレーム１０と、円筒フレーム１０の上端に取り付けられたリングフレーム１１とを有している。リングフレーム１１は内周側の段部で基板Ｗの外周縁部を受けて基板Ｗを水平方向に保持する。円筒フレーム１０は図示しない駆動手段により軸心廻りに回転して、リングフレーム１１上の基板Ｗを一体に回転させる。処理室１のベース部６はこの円筒フレーム１０で囲まれている。
The
ランプモジュール３は、複数の加熱ランプ１２で構成されており、処理室１の蓋部７に取り付けられている。
温度センサ４は、基板温度を光学的に検出可能な複数のパイロメータ１３からなり、基板裏面側に形成される光学的閉空間に臨むように処理室１のベース部６に組み込まれている。複数のパイロメータ１３の位置は、円形のベース部６の軸心を頂点とする扇形領域内である。
The lamp module 3 includes a plurality of
The temperature sensor 4 includes a plurality of
図示を省略するが、処理室１の側壁部５には、基板表面側空間に臨むガス供給口とガス排出口とが対向して設けられている。ベース部６には、基板Ｗを基板支持部材２の所定位置に載せまた取り外すリフト部材、たとえばベース部６を貫通した昇降自在な複数の支持ピンが設けられている。
Although not shown, the
処理室１の外部には、この処理室１と弁装置を介して連通した前処理室と、前処理室から処理室１へ基板Ｗを搬送する搬送ロボットとが配置されている。前処理室は、複数の基板Ｗを収容して、加熱処理時の処理室１内と同等圧力の窒素雰囲気内に保持する。
Outside the
上記熱処理装置で基板Ｗを加熱処理する際の動作を説明する。
前処理室内に収容された同一種類の複数の基板の内、１枚目の基板Ｗを搬送ロボットにより取り出して処理室１内に搬送し、基板支持部材２上の所定位置に設置し、この基板Ｗに対して加熱処理プロセスを実施する。加熱処理プロセスが終了したら基板Ｗを搬送ロボットにより処理室１外に回収し、２枚目以降の基板に対して同様に搬送および加熱処理プロセスを行なう。
An operation when the substrate W is heat-treated with the heat treatment apparatus will be described.
Of the plurality of substrates of the same type accommodated in the pretreatment chamber, the first substrate W is taken out by the transport robot and transported into the
処理室１内の加熱処理プロセスとしては、基板表面側空間に成膜ガスを供給し、基板支持部材２を介して基板Ｗを軸芯廻りに一定速度で回転させる状態において、基板裏面の温度を各パイロメータ１３で光学的に検出しながら、その検出値が予め決めた設定温度に一致するようにランプモジュール３の出力を制御して各加熱ランプ１２の熱を基板Ｗに供給することにより、基板Ｗの表面に成膜する。加熱処理の一例はＩＳＳＧ（In Situ Steam Generation）プロセスなどのウェット酸化プロセス（Ｈ２およびＯ２を供給しＨ２Ｏを生成させて酸化膜を生成する）である。所定時間が経過したら、基板Ｗの回転を停止し、加熱処理プロセスを終了する。
As a heat treatment process in the
図２に、加熱処理プロセスにおける基板温度の経時変化を示す。パイロメータ１３による基板温度測定値データを収集したものである。
基板Ｗを所定位置に設置して処理レシピを開始する時刻ｔ０での基板温度はＴ０である。この基板Ｗをランプモジュール３を一定出力にして加熱する。一般にパイロメータ１３を使用した温度制御系では４５０℃以下の温度領域の検知感度が充分でないので、ここでも、検出感度を確保できる温度（帯）Ｔ１までは一定出力にて加温する制御方法を用いる。基板温度がＴ１に達したら、その時刻ｔ１から所定の時刻ｔ２までＴ１を安定に保持する。
FIG. 2 shows a change with time of the substrate temperature in the heat treatment process. The substrate temperature measurement data by the
The substrate temperature at time t 0 when the substrate W is placed at a predetermined position and the processing recipe is started is T 0 . The substrate W is heated with the lamp module 3 at a constant output. In general, the temperature control system using the
時刻ｔ２以後は、パイロメータ１３の出力をフィードバックして基板温度を管理しつつ加熱する。所定の時刻ｔ３に、成膜が開始する温度Ｔ２まで到達させる。時刻ｔ３から所定の成膜工程時間となる時刻ｔ４までは、基板温度をＴ２に制御しつつ成膜ガスを基板全面に供給する。この成膜工程時間ｔ３〜ｔ４は従来は処理レシピが同一であれば一定としている。
Time t 2 subsequent heats while managing the substrate temperature by feeding back the output of the
時刻ｔ４に、直ちに成膜ガスをパージするとともに熱供給を遮断して、成膜を速やかに停させる。その後の所定の時刻ｔ５に基板Ｗを回収する。
このようにして加熱処理する間に基板に供給される供給熱量について、図３を参照しながら説明する。この図３は図２と同等の基板温度の経時変化を示している。
At time t 4, attention immediately a deposition gas to block heat supplied with purge, stop immediately the deposition. To recover the substrate W to the subsequent predetermined time t 5.
The amount of heat supplied to the substrate during the heat treatment will be described with reference to FIG. FIG. 3 shows the change with time of the substrate temperature equivalent to FIG.
基板への供給熱量は基板温度の変位と加熱処理時間との積（図中では面積）で表わされる。ここでは、時刻ｔ２までは一定出力で昇温させるステップであって基板処理枚数に関わらず一定なので、その間の面積は簡便のために除外し、パイロメータの測定値をフィードバックして基板温度を制御する時刻ｔ２以降の面積を用いる。また時刻ｔ２以降では基板温度は常にＴ１より高いので、基板温度Ｔ１以下の面積も簡便のために除外する。 The amount of heat supplied to the substrate is represented by the product (area in the figure) of the displacement of the substrate temperature and the heat treatment time. Here, since until time t 2 is constant irrespective of the substrate processing number comprising the steps of raising the temperature at a constant output, the area therebetween is excluded for convenience, control the substrate temperature by feeding back the measured value of the pyrometer the time t 2 and later of the area to be used. Since the time t 2 after higher always substrate temperatures T 1, excluded for even simple substrate temperature T 1 of the following areas.
つまり、成膜処理開始時刻ｔ２から成膜工程時間（ｔ３〜ｔ４）を経て基板搬出時刻ｔ５に至るまでの時間範囲と、成膜処理開始温度Ｔ１から成膜温度Ｔ２を経て成膜処理終了温度Ｔ３に至るまでの温度範囲とで規定される、塗潰した領域の面積Ｘを基板への供給熱量として算出する。算出法にはたとえば台形面積計算法を用いる。 That is, the time range from the film formation process start time t 2 through the film formation process time (t 3 to t 4 ) to the substrate carry-out time t 5 and the film formation process start temperature T 1 to the film formation temperature T 2 are set. is defined by the temperature range up to the film forming process end temperature T 3 through, it calculates the area X of a region crushed coated as the amount of heat supplied to the substrate. For example, a trapezoidal area calculation method is used as the calculation method.
台形面積計算法について、図４に基板温度の経時変化を模式的に示して説明する。
時刻０から一定周期αで基板温度の測定値を収集するとき、時刻ｔａおよび時刻ｔａ＋αでの測定値をそれぞれＡ、Ｂとすると、その間に基板に供給された熱量は図中の塗潰した台形領域で示され、その面積Ｓａは以下の（式１）で算出される。
The trapezoidal area calculation method will be described with reference to FIG.
When collecting measurements of substrate temperature at a constant period alpha from
Ｓａ＝（Ａ＋Ｂ）×（ｔａ＋α−ｔａ）／２・・・・（式１）
任意の時刻ｔｎまでの面積Ｘは、測定周期毎に算出される任意の面積（Ｓｘ）´の和として以下の（式２）で算出される。
S a = (A + B) × (t a + α−t a ) / 2 (Expression 1)
The area X up to an arbitrary time t n is calculated by the following (Equation 2) as the sum of an arbitrary area (S x ) ′ calculated for each measurement cycle.
本発明の基板加熱方法は、この比例関係を利用して、基板間の膜厚を均一にすべく、以下のようして基板毎に関連付けが可能な形式でデータ収集を行い、基板への供給熱量を一定に制御するものである。 The substrate heating method of the present invention uses this proportional relationship to collect data in a format that can be associated with each substrate as follows in order to make the film thickness between the substrates uniform, and supply to the substrate The amount of heat is controlled to be constant.
なお図５の結果は、パイロメータより出力される基板中心ゾーンの温度データを１．５秒周期で取得して面積Ｘを算出したものであるが、他ゾーンの出力値を用いてもよく、またデータ取得間隔は１．５秒以下であれば問題ない。昇温時や降温時等の温度変化が発生する期間のみデータ取得間隔を短く設定するようにしても勿論構わない。
（実施例１）
本発明の実施例１の基板加熱方法は、基板温度の測定結果から処理室に蓄積する熱量を評価し、その結果を基に、基板への供給熱量を成膜工程時間の制御により管理するものである。昇温工程、降温工程は一定時間とする。
The results in FIG. 5 are obtained by calculating the area X by acquiring the temperature data of the substrate center zone output from the pyrometer at a cycle of 1.5 seconds, but the output values of other zones may be used. If the data acquisition interval is 1.5 seconds or less, there is no problem. Of course, the data acquisition interval may be set to be short only during a period in which a temperature change occurs such as when the temperature rises or falls.
(Example 1)
In the substrate heating method according to the first embodiment of the present invention, the amount of heat accumulated in the processing chamber is evaluated from the measurement result of the substrate temperature, and the amount of heat supplied to the substrate is managed by controlling the film formation process time based on the result. It is. The temperature raising process and the temperature lowering process are performed for a fixed time.
ロット内の１枚目及び２枚目の被処理基板について、成膜温度をＴ、成膜工程時間をＢ１とする所定の処理レシピで加熱処理を実施する。
その際の成膜処理開始時刻、成膜処理開始温度を基準とした温度プロファイルは図６で示される。１枚目の被処理基板に供給された熱量は破線で囲まれた面積に相当し、その面積値Ｘ１は上記（式２）で算出される。２枚目の被処理基板に供給された熱量は実線で囲まれた面積に相当し、その面積値Ｘ２も上記（式２）で算出される。以下、基板への供給熱量に相応する面積およびその値を熱面積、熱面積値という。
For the first sheet and the second sheet of the substrate in the lot, the deposition temperature T, performing the heat treatment at a predetermined processing recipe a deposition process time and B 1.
A temperature profile based on the film formation process start time and the film formation process start temperature is shown in FIG. Heat supplied to the first sheet of the substrate corresponds to the area surrounded by the broken line, the area value X 1 is calculated by the equation (2). The amount of heat supplied to the second sheet of the substrate corresponds to the area surrounded by the solid line, the area value X 2 is also calculated by the equation (2). Hereinafter, an area corresponding to the amount of heat supplied to the substrate and its value are referred to as a heat area and a heat area value.
２枚目の被処理基板の加熱処理時に処理室に蓄積する蓄熱量ΔＳ２を、２枚目の被処理基板の熱面積値と１枚目の被処理基板の熱面積値との差分に相当するものとして、以下の（式３）で算出する。 The heat storage amount ΔS 2 accumulated in the processing chamber during the heat treatment of the second substrate to be processed corresponds to the difference between the heat area value of the second substrate to be processed and the heat area value of the first substrate to be processed. It is calculated by the following (Formula 3).
ΔＳ２＝Ｘ２−Ｘ１・・・（式３）
３枚目の被処理基板の成膜工程時間Ｂ３を以下の（式Ａ）で算出し、算出値を用いて同基板を加熱処理する。即ち、蓄熱量ΔＳ２が温度Ｔにて蓄積されるのに要する理論上の時間だけ成膜時間を短縮するのである。
ΔS 2 = X 2 −X 1 (Formula 3)
The film formation process time B3 of the third substrate to be processed is calculated by the following (formula A), and the substrate is heat-treated using the calculated value. That is, the film formation time is shortened by a theoretical time required for the heat storage amount ΔS 2 to be accumulated at the temperature T.
Ｂ３＝Ｂ１−ΔＳ２／Ｔ・・・（式Ａ）
３枚目の被処理基板の熱面積Ｘ３を上記（式２）より算出する。３枚目の基板処理時の処理室の蓄熱量ΔＳ３を、３枚目の被処理基板の熱面積値と１枚目の基板の熱面積値との差分に相当するものとして、以下の（式Ｂ）で算出する。
B 3 = B 1 −ΔS 2 / T (formula A)
The thermal area X3 of the third substrate to be processed is calculated from the above (Equation 2). Assuming that the heat storage amount ΔS 3 of the processing chamber at the time of processing the third substrate corresponds to the difference between the thermal area value of the third substrate to be processed and the thermal area value of the first substrate, Calculated by equation B).
ΔＳ３＝Ｘ３−Ｘ１・・・（式Ｂ）
４枚目の被処理基板の成膜工程時間Ｂ４を上記と同様にして以下の（式Ｃ）で算出し、算出値を用いて同基板を加熱処理する。
ΔS 3 = X 3 −X 1 (Formula B)
The film formation process time B4 for the fourth substrate to be processed is calculated by the following (formula C) in the same manner as described above, and the substrate is heated using the calculated value.
Ｂ４＝Ｂ１−ΔＳ３／Ｔ・・・（式Ｃ）
つまり、３枚目以降のｎ枚目の基板については、その成膜工程時間Ｂｎを以下の（式Ｄ）で算出し、算出値を用いて加熱処理するのである。
B 4 = B 1 −ΔS 3 / T (formula C)
That is, for the third and subsequent n-th substrates, the film formation process time B n is calculated by the following (formula D), and the heat treatment is performed using the calculated values.
Ｂｎ＝Ｂ１−ΔＳｎ−１／Ｔ（ただしｎ≧３）・・・（式Ｄ）
以上の基板加熱方法のシミュレーション結果を図７に示す。横軸は基板処理枚数、左軸は膜厚、右軸は基板間膜厚均一性を示している。図中に記したように、この実施例１の方法によれば、従来法に較べて基板間膜厚のばらつきを約１％改善することができる。なおシミュレーションは、ＩＳＳＧプロセスでＳｉ基板に対してＨ２、Ｏ２を成膜ガスとしてＳｉＯ２を成膜したものである。以下の実施例でも同様である。
（実施例２）
本発明の実施例２の基板加熱方法は、被処理基板と同数のモニタ基板を用いて処理室に蓄積される熱量を評価し、その結果を基に、基板への供給熱量を成膜工程時間の制御により管理するものである。
B n = B 1 −ΔS n−1 / T (where n ≧ 3) (formula D)
The simulation result of the above substrate heating method is shown in FIG. The horizontal axis indicates the number of processed substrates, the left axis indicates the film thickness, and the right axis indicates the film thickness uniformity between the substrates. As described in the figure, according to the method of the first embodiment, the variation in the film thickness between the substrates can be improved by about 1% as compared with the conventional method. In the simulation, the SiO 2 film is formed on the Si substrate by using an H 2 and O 2 film forming gas by the ISSG process. The same applies to the following embodiments.
(Example 2)
In the substrate heating method according to the second embodiment of the present invention, the amount of heat accumulated in the processing chamber is evaluated using the same number of monitor substrates as the substrate to be processed, and the amount of heat supplied to the substrate is determined based on the result. It is managed by the control of.
まず、処理室に蓄積される熱量を評価する。
被処理基板と同数のモニタ基板を用意する。このモニタ基板は、被処理基板と同種の結晶構造を有し、且つ可能であれば同様のパターン形状を有したものとする。
First, the amount of heat accumulated in the processing chamber is evaluated.
Prepare the same number of monitor substrates as the substrates to be processed. This monitor substrate has the same kind of crystal structure as the substrate to be processed and, if possible, has the same pattern shape.
ロット内の１枚目および２枚目のモニタ基板を、被処理基板と同一レシピ、つまり成膜温度をＴ、成膜工程時間をＢ１とする所定の処理レシピで加熱処理する。
実施例１と同様にして、加熱処理時の温度データから、１枚目のモニタ基板の熱面積Ｘｍ１および２枚目のモニタ基板の熱面積Ｘｍ２を上記（式２）により算出する。
The first and second sheets of the monitor substrate in the lot, to heat treatment at a predetermined processing recipe target substrate in the same recipe, that is, the deposition temperature T, the film formation process time and B 1.
In the same manner as in the first embodiment, the thermal area X m1 of the first monitor substrate and the thermal area X m2 of the second monitor substrate are calculated from the temperature data at the time of the heat treatment by the above (formula 2).
２枚目以降のｎ枚目のモニタ基板の加熱処理時の処理室の蓄熱量ΔＳｍｎを実施例１と同様にして以下の（式Ｆ）で算出する。
ΔＳｍｎ＝Ｘｍｎ−Ｘｍ１（ただしｎ≧２）・・・（式Ｆ）
その後に被処理基板の加熱処理プロセスを開始する。
The heat storage amount ΔS mn in the processing chamber during the heat treatment of the second and subsequent n-th monitor substrates is calculated by the following (formula F) in the same manner as in the first embodiment.
ΔS mn = X mn −X m1 (where n ≧ 2) (Formula F)
Thereafter, a heat treatment process of the substrate to be processed is started.
ロット内の１枚目の被処理基板を、処理温度をＴ、成膜工程時間をＢ１とする所定の処理レシピで加熱処理する。
２枚目以降のｎ枚目の被処理基板については、その成膜工程時間Ｂｎを、ｎ−１枚目のモニタ基板で得た蓄熱量値を用いて実施例１と同様にして以下の（式Ｉ）で算出し、算出値を用いて加熱処理する。
The first sheet of the substrate to be processed in the lot, the treatment temperature T, the heat treatment at a predetermined processing recipe a deposition process time and B 1.
For the second and subsequent nth substrates to be processed, the film formation process time Bn is set as follows in the same manner as in Example 1 by using the heat storage value obtained with the (n-1) th monitor substrate. It calculates with (Formula I) and heat-processes using a calculated value.
Ｂｎ＝Ｂ１−ΔＳｍｎ-1／Ｔ（ただしｎ≧２）・・・（式Ｉ）
以上の基板加熱方法によるシミュレーション結果を図８に示す。横軸は基板処理枚数、左軸は膜厚、右軸は基板間膜厚均一性を示している。図中に記したように、この実施例２の方法によれば、従来法に較べて基板間膜厚のばらつきを約２.４％改善することができる。
（実施例３）
本発明の実施例３の基板加熱方法は、少なくとも２枚のモニタ基板を加熱処理して、処理室に蓄積される熱量を推測し、平均化し、その結果を基に、基板への供給熱量を成膜処理時間の制御により管理するものである。
B n = B 1 −ΔS mn −1 / T (where n ≧ 2) (Formula I)
The simulation result by the above substrate heating method is shown in FIG. The horizontal axis indicates the number of processed substrates, the left axis indicates the film thickness, and the right axis indicates the inter-substrate film thickness uniformity. As described in the figure, according to the method of the second embodiment, the variation in the film thickness between the substrates can be improved by about 2.4% as compared with the conventional method.
(Example 3)
In the substrate heating method according to the third embodiment of the present invention, at least two monitor substrates are heated, the amount of heat accumulated in the processing chamber is estimated, averaged, and the amount of heat supplied to the substrate is calculated based on the result. It is managed by controlling the film forming process time.
少なくとも２枚のモニタ基板を用意する。このモニタ基板は、被処理基板と同種の結晶構造を有し、且つ可能であれば同様のパターン形状を有したものとする。
ロット内の１枚目および２枚目のモニタ基板を、被処理基板と同一レシピ、つまり成膜温度をＴ、成膜工程時間をＢ１とする所定の処理レシピで加熱処理する。
At least two monitor boards are prepared. This monitor substrate has the same kind of crystal structure as the substrate to be processed and, if possible, has the same pattern shape.
The first and second sheets of the monitor substrate in the lot, to heat treatment at a predetermined processing recipe target substrate in the same recipe, that is, the deposition temperature T, the film formation process time and B 1.
２枚目以降のｎ枚目のモニタ基板の加熱処理時の処理室の蓄熱量ΔＳｍｎを実施例２と同様にして以下の（式Ｆ）で算出する。
ΔＳｍｎ＝Ｘｍｎ−Ｘｍ１（ただしｎ≧２）・・・（式Ｆ）
次に、蓄熱量ΔＳｍｎの値からモニタ基板１枚当りの平均蓄熱量ΔＳａｖを以下の（式４）で算出する。
The heat storage amount ΔS mn of the processing chamber during the heat treatment of the second and subsequent n-th monitor substrates is calculated by the following (formula F) in the same manner as in the second embodiment.
ΔS mn = X mn −X m1 (where n ≧ 2) (Formula F)
Next, an average heat storage amount ΔS av per monitor substrate is calculated from the value of the heat storage amount ΔS mn by the following (formula 4).
ΔＳａｖ＝ΔＳｍｎ／（ｎ−１）（但しｎ≧２）・・・（式４）
さらに、平均蓄熱量ΔＳａｖの値から単位基板当りの成膜工程短縮時間Δｔを以下の（式５）で算出する。
ΔS av = ΔS mn / (n−1) (where n ≧ 2) (Expression 4)
Further, the film formation process shortening time Δt per unit substrate is calculated from the value of the average heat storage amount ΔSav by the following (formula 5).
Δｔ＝ΔＳａｖ／Ｔ・・・（式５）
その後に、被処理基板の加熱処理プロセスを開始する。
図９に示すように、ロット内の１枚目の被処理基板を、処理温度をＴ、成膜工程時間をＢ１とする所定の処理レシピで加熱処理する。その際に被処理基板に供給される熱量は、図中の塗潰した領域に相応するものとなる（温度積分値Ａ１：熱面積）。
Δt = ΔS av / T (Expression 5)
Thereafter, a heat treatment process for the substrate to be processed is started.
As shown in FIG. 9, the first sheet of the substrate to be processed in the lot, the treatment temperature T, the heat treatment at a predetermined processing recipe a deposition process time and B 1. The amount of heat supplied to the substrate to be processed at that time corresponds to the painted area in the figure (temperature integrated value A 1 : heat area).
２枚目以降のｎ枚目の被処理基板については、その成膜工程時間Ｂｎを、所定の成膜工程時間Ｂ１とモニタ基板により求めた短縮時間Δｔとを用いて以下の式（式７）で算出し、算出値を用いて加熱処理する。 For the second and subsequent n-th substrates to be processed, the film formation process time B n is expressed by the following equation (formula) using a predetermined film formation process time B 1 and the shortened time Δt obtained by the monitor substrate. 7), and heat treatment is performed using the calculated value.
Ｂｎ＝Ｂ１−（ｎ−１）Δｔ（但しｎ≧２）・・・（式７）
その際に被処理基板に供給される熱量は、図中の塗潰した領域に相応するものとなる（温度積分値Ａ２，Ａ３・・・）。
B n = B 1 − (n−1) Δt (where n ≧ 2) (Expression 7)
At this time, the amount of heat supplied to the substrate to be processed corresponds to the painted area in the figure (temperature integrated values A 2 , A 3 ...).
実施例２よりも簡便でありながら、１枚目からｎ枚目の被処理基板に供給される熱量を一定に制御できる方法である。
なお従来技術でも問題とされているように、１枚目の基板と２枚目の基板との間で膜厚変動が大きいので、２枚目の被処理基板の成膜工程時間Ｂ２はモニタ基板によって実測された結果を基に算出し、３枚目以降の被処理基板の成膜工程時間Ｂｎは（式５）より算出される短縮時間Δｔを用いて簡便に算出するようにしてもよい。
In this method, the amount of heat supplied to the first to nth substrates to be processed can be controlled to be constant while being simpler than the second embodiment.
As is also a problem in the prior art, the film thickness variation between the first substrate and the second substrate is large, so the film formation process time B 2 of the second substrate to be processed is monitored. The film formation process time Bn of the third and subsequent substrates to be processed may be simply calculated using the shortened time Δt calculated from (Equation 5). .
つまり、２枚目の成膜工程時間Ｂ２は上記（式Ｇ）で算出し、３枚目以降の成膜工程時間Ｂｎは以下の（式Ｊ）で算出することになる。
Ｂｎ＝Ｂ２−（ｎ−２）Δｔ（但しｎ≧３）・・・（式Ｊ）
３枚目以降の被処理基板についてのみ短縮時間Δｔを用いる基板加熱方法によるシミュレーション結果を図１０に示す。横軸は基板処理枚数、左軸は膜厚、右軸は基板間膜厚均一性を示している。図中にも記したように、この実施例３の方法によれば、基板間の膜厚ばらつきは１枚目の基板の膜厚を基準として±０．２％以内であり、従来法では±２．４％であるのに較べて、1／１０以下に改善されている。
（実施例４）
本発明の実施例４の基板加熱方法は、基板への供給熱量を、処理室に蓄積する熱量を一定に制御することにより、具体的には処理室の冷媒路（図１参照）に流す冷却水流量を制御することにより、管理するものである。
That is, the film formation process time B2 for the second sheet is calculated by the above (formula G), and the film formation process time Bn for the third and subsequent sheets is calculated by the following (formula J).
B n = B 2 − (n−2) Δt (where n ≧ 3) (formula J)
FIG. 10 shows a simulation result by the substrate heating method using the shortened time Δt only for the third and subsequent substrates. The horizontal axis indicates the number of processed substrates, the left axis indicates the film thickness, and the right axis indicates the inter-substrate film thickness uniformity. As also shown in the figure, according to the method of Example 3, the film thickness variation between the substrates is within ± 0.2% based on the film thickness of the first substrate. Compared to 2.4%, it is improved to 1/10 or less.
Example 4
In the substrate heating method according to the fourth embodiment of the present invention, the amount of heat supplied to the substrate is controlled so that the amount of heat accumulated in the processing chamber is constant, and specifically, cooling that flows through the refrigerant path (see FIG. 1) of the processing chamber It is managed by controlling the water flow rate.
実施例３と同様にして、モニタ基板を用いて２枚目以降のｎ枚目の基板の加熱処理時に処理室に蓄積する蓄熱量ΔＳｍｎを以下の（式Ｆ）で算出し、基板１枚当りの平均蓄熱量ΔＳａｖを以下の（式４）で算出する。 In the same manner as in Example 3, the heat storage amount ΔS mn accumulated in the processing chamber during the heat treatment of the second and subsequent n-th substrates is calculated using the monitor substrate by the following (formula F), and one substrate is obtained. The average heat storage amount ΔS av per unit is calculated by the following (formula 4).
ΔＳｍｎ＝Ｘｍｎ−Ｘｍ１（ただしｎ≧２）・・・（式Ｆ）
ΔＳａｖ＝ΔＳｍｎ／（ｎ−１）（但しｎ≧２）・・・（式４）
ここで、被処理基板１枚当たりに処理室に蓄積する熱量が０となる冷却水流量をＦとし、平均蓄熱量がΔＳａｖとなる冷却水流量をＦ０とすると、以下の（式８）で表わされる関係にある。
ΔS mn = X mn −X m1 (where n ≧ 2) (Formula F)
ΔS av = ΔS mn / (n−1) (where n ≧ 2) (Expression 4)
Here, when the cooling water flow rate at which the amount of heat accumulated in the processing chamber per substrate to be processed is 0 is F and the cooling water flow rate at which the average heat storage amount is ΔS av is F 0 , the following (formula 8) There is a relationship represented by
Ｆ−Ｆ０＝ΔＳａｖ・・・（式８）
被処理基板を加熱処理するにあたって、ロット内の１枚目と２枚目の基板については冷却水流量をＦ０として加熱処理を実施する。この場合の２枚目の基板の加熱処理時の処理室の蓄熱量は、２枚目の基板の熱面積値Ｘ２と１枚目の基板の熱面積値Ｘ１との差分となる。
F−F 0 = ΔS av (Expression 8)
In heat treatment of the substrate to be processed, for one sheet and the second sheet of substrates in the lot is performed a heat treatment of the cooling water flow as F 0. Heat storage amount of the processing chamber during heat treatment of the second substrate in this case is thermal area value X 2 of the second substrate and the first sheet of the difference between the thermal area value X 1 of the substrate.
従って、３枚目の被処理基板の加熱処理時の冷却水流量をＦ３とすると、上記（式８）を用いて、以下の式で算出される。
Ｆ３＝（Ｘ２−Ｘ１）／ΔＳａｖ＋Ｆ０・・・（式９）
つまり、３枚目以降のｎ枚目の冷却水流量Ｆｎは以下の（式１０）で算出される。算出値を用いて加熱処理する。
Therefore, when the cooling water flow rate during the heat treatment of the third substrate to be processed is F 3 , the above equation (8) is used to calculate the following equation.
F 3 = (X 2 −X 1 ) / ΔS av + F 0 (Equation 9)
That is, the third and subsequent n-th cooling water flow rate F n is calculated by the following (formula 10). Heat treatment is performed using the calculated value.
Ｆｎ＝（Ｘｎ−１−Ｘ１）／ΔＳａｖ＋Ｆ０・・・（式１０）
更に基板温度制御で処理室の蓄熱量を制御する場合は、成膜工程と降温工程との間に一定温度で保持するステップを加え、基板温度と時間積分により得られる面積値を調整する事で可能となる。即ちｎ枚の基板からなるロットに対しては、１枚目の保持ステップの面積値は（ｎ−１）ΔＳａｖとなるように保持温度若しくはステップ時間を制御する工程を設ける。
F n = (X n-1 -X 1) / ΔS av +
Furthermore, when controlling the amount of heat stored in the processing chamber by controlling the substrate temperature, adding a step of holding at a constant temperature between the film forming process and the temperature decreasing process, and adjusting the substrate temperature and the area value obtained by time integration. It becomes possible. That is, for a lot consisting of n substrates, a process of controlling the holding temperature or the step time is provided so that the area value of the first holding step is (n−1) ΔS av .
図１１に保持温度Ｔで固定した場合の基板処理枚数と保持ステップ中の熱面積及び基板温度のダイアグラムを示す。基板１枚当たりの保持ステップ工程の熱面積をΔＳａｖずつ減少させるように保持時間を逐次短縮している。降温工程の終了時の基板温度は、１枚目の基板でＴＥ１とすると、２枚目の基板でＴＥ２、・・・ｎ枚目の基板でＴＥｎというように、処理枚数の増加に伴って上昇する（降温曲線の傾きが変化する）ことになる。 FIG. 11 shows a diagram of the number of processed substrates, the heat area during the holding step, and the substrate temperature when the holding temperature T is fixed. The holding time is sequentially shortened so that the thermal area of the holding step process per substrate is reduced by ΔS av . The substrate temperature at the end of the temperature lowering process rises as the number of processed sheets increases, such as TE1 for the first substrate, TE2 for the second substrate, and TEn for the nth substrate. (The slope of the cooling curve changes).
以上のような第４の基板加熱方法によっても、つまり処理室の蓄熱量を制御することによって、基板間膜厚均一性を向上させることが可能である。したがって基板特性を安定させて常に均質な製品を供給する事ができる。 Even by the fourth substrate heating method as described above, that is, by controlling the heat storage amount in the processing chamber, it is possible to improve the film thickness uniformity between the substrates. Therefore, the substrate characteristics can be stabilized and a uniform product can always be supplied.
本発明の基板加熱方法は、処理室の蓄熱に起因する基板間の膜厚変動を抑えることができ、半導体製造における酸化膜形成工程（枚葉式ＲＴＰ装置）や熱ＣＶＤ工程、さらには液晶パネル製造の薄膜形成工程等にも有用である。 The substrate heating method of the present invention can suppress film thickness fluctuations between substrates due to heat storage in a processing chamber, and can form an oxide film formation process (single wafer RTP apparatus), a thermal CVD process, and a liquid crystal panel in semiconductor manufacturing. It is also useful for manufacturing thin film forming processes.
１ 処理室
２ 基板支持部材
３ ランプモジュール
４ 温度センサ
８ 冷却水路
Ｗ 基板
DESCRIPTION OF
Claims (4)
（１）処理室内に順次に搬入される基板の温度を基板裏面でモニターし、
（２）各基板の温度の経時変化より基板温度の変位と加熱処理時間との積で定義される供給熱量を算出し、各基板の供給熱量と基準となる所定の基板の供給熱量との差分で定義される、処理室への蓄熱量を算出し、
（３）処理室内の基板について、前記蓄熱量の成膜温度による商として定義する、蓄熱量が成膜温度にて蓄積されるのに要する蓄熱時間を算出し、基板毎の供給熱量が一定になるように加熱処理時間を前記蓄熱時間だけ短縮する基板加熱方法。 When a plurality of substrates are brought into a processing chamber one by one in a single-wafer heat treatment apparatus and heat-treated,
(1) Monitor the temperature of the substrate sequentially carried into the processing chamber on the back side of the substrate ,
(2) Calculate the supply heat quantity defined by the product of the displacement of the substrate temperature and the heat treatment time from the change in the temperature of each substrate over time, and the difference between the supply heat quantity of each substrate and the supply heat quantity of a predetermined substrate as a reference Calculate the amount of heat stored in the processing chamber , defined in
(3) For the substrate in the processing chamber, calculate the heat storage time required for the heat storage amount to be accumulated at the film formation temperature, which is defined as the quotient of the heat storage amount at the film formation temperature , and the supply heat amount for each substrate is constant. A substrate heating method for shortening the heat treatment time by the heat storage time .
その後に、処理室に搬入する１枚目の被処理基板を前記所定の加熱プロファイルで加熱処理し、２枚目以降のｎ枚目の被処理基板については、対応する（ｎ−１）枚目のモニタ基板で算出された前記蓄熱量より前記蓄熱時間を算出して、算出された蓄熱時間だけ、基板を所定の成膜温度に維持する前記成膜工程の時間を短縮して加熱処理を行う、請求項１記載の基板加熱方法。 Prepare the same number of monitor substrates as the substrates to be processed, and heat-treat the first and second monitor substrates carried into the processing chamber with a predetermined heating profile for performing the temperature raising step, the film forming step, and the temperature lowering step , the heat storage amount accumulated in the processing chamber during the heat treatment of the n-th monitor substrate of second and subsequent sheets, calculated as the difference between the amount of heat supplied between the first sheet and the n-th monitor substrate,
Thereafter, the first substrate to be carried into the processing chamber is heat-treated with the predetermined heating profile, and the second and subsequent n-th substrates are the corresponding (n-1) th substrate. performing of the heat storage time than the heat storage quantity calculated by the monitor substrate is calculated, only the calculated heat accumulation time, the heat treatment to reduce the time of the deposition step of maintaining the substrate at a predetermined film forming temperature the substrate heating method of claim 1, wherein.
その後に、処理室に搬入する１枚目の被処理基板を前記所定の加熱プロファイルで加熱処理し、２枚目以降のｎ枚目の被処理基板については、前記モニタ基板で算出された平均蓄熱量を用いて単位基板当りの前記蓄熱時間を算出して、基板を所定の成膜温度に維持する前記成膜工程の時間を前記蓄熱時間ずつ順次に短縮して加熱処理を行う、請求項１記載の基板加熱方法。 n monitor substrates (n> 2) are prepared, and the first and second monitor substrates carried into the processing chamber are heat-treated with a predetermined heating profile for performing a temperature raising process, a film forming process, and a temperature lowering process. and, the heat storage amount accumulated in the processing chamber during the heat treatment of the n-th monitor substrate of second and subsequent sheets, calculated as the difference between the amount of heat supplied between the first sheet and the n-th monitor substrate, calculated calculates an average amount of heat stored per one respective heat storage amount by Ri monitor substrate which is,
Thereafter, the first substrate to be carried into the processing chamber is heat-treated with the predetermined heating profile, and the second and subsequent n-th substrates to be processed are average heat storage calculated by the monitor substrate. calculates the heat storage time per unit substrate using the amounts, the time of the deposition step of maintaining the board in the predetermined deposition temperature heat treatment is performed by sequentially shortened by the heat storage time, claim 2. The substrate heating method according to 1.
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