JP4262908B2

JP4262908B2 - Heat treatment apparatus and heat treatment method

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Publication number: JP4262908B2
Application number: JP2001243528A
Authority: JP
Inventors: 睦仁江嶋
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2001-08-10
Filing date: 2001-08-10
Publication date: 2009-05-13
Anticipated expiration: 2021-08-10
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハ等の基板に対して熱処理を行う熱処理装置及び熱処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの製造工程において用いられる、多数枚の半導体ウエハ（以下ウエハという）に対して例えばＣＶＤ（chemical vapor deposition）による成膜処理や酸化、拡散処理といった熱処理を一括して行う縦型熱処理装置がある。この装置はウエハボートと呼ばれる保持具に多数枚のウエハを棚状に保持させ、その後例えば縦型の熱処理炉内に前記保持具を例えば下方側から搬入し、処理雰囲気を所定の温度の加熱雰囲気にして、熱処理を行うものである。一般に熱処理炉は、被加熱ゾーンを上下に複数に分割し、各ゾーン毎に温度制御することができるように、複数の加熱手段及び各々に対応する温度制御手段を備えた構成とされている。
【０００３】
ところで本発明者は、加熱手段としてカーボンワイヤヒータを使用した図８に示すような縦型熱処理装置を検討している。図８中、１０１は下方側が開口する反応容器であり、その周囲には例えば上下３段に分割されたヒータ２００が設けられている。ヒータ２００は、熱処理領域の大部分を加熱するメインヒータ２０２、及びその上下に設けられるサブヒータ２０１，２０３により構成されている。この装置では、多数枚のウエハＷを棚状に保持するウエハボート１０３が、開口部１０２を介して反応管１０１内に搬入されると、該ウエハボート１０３の下端に設けられる蓋体１０４が開口部１０２を塞ぎ、反応管１０１内を所定温度に加熱して所定の熱処理が行われる。
【０００４】
また、各ヒータ２００が受け持つ熱処理雰囲気の温度を夫々検出するように、反応管１０１の内側には内部熱電対３００（３０１〜３０３）が、また各ヒータ２００の近傍部位には外部熱電対４００（４０１〜４０３）が夫々設けられており、各熱電対３００、４００から得られる温度検出値を各ヒータ２００（２０１〜２０３）毎に設けられる制御部５００（５０１〜５０３）へ取り込むように構成されている。即ち、制御部５００（５０１〜５０３）は前記温度検出値と各段毎に設定される温度目標値とに基づいて、対応するヒータ２００（２０１〜２０３）毎に別個の発熱量制御を行うことが可能となっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ウエハボート１０３の搬入時において下部側のサブヒータ２０３近傍は、開口部１０２を介して反応管１０１内へ流入する外部雰囲気の影響を受け、メインヒータ２０２近傍に比べて温度が低くなっている。このような状況下で開口部１０２から冷えた（反応管１０１内の雰囲気よりも温度の低い）ウエハＷ及びウエハボート１０３が搬入されると、先ずサブヒータ２０３近傍の温度が更に低下し、そしてウエハボート１０３が上昇するにつれてメインヒータ２０２近傍及び上部側のサブヒータ２０１近傍も影響を受けて温度が低下する。
【０００６】
従ってヒータ２００近傍の温度は上部側ほど高くなり、またウエハＷ及びウエハボート１０３の温度はその位置が上昇するにつれてヒータ２００により温められて徐々に高くなっていくので、ヒータ２００近傍における上下方向の温度分布はウエハボート１０３の位置に応じて刻一刻と変化することとなる。このため下端部側のサブヒータ２０３近傍の温度がウエハボート１０３の搬入により急激に低下するので制御部５０３はサブヒータ２０３への投入電力を大きくするように作用する。これに対してメインヒータ２０２近傍の温度はウエハボート１０３の投入により低下するがその程度はサブヒータ２０３近傍よりも少ないので制御部５０２による電力の投入量はそれほど大きくない。このようにメインヒータ２０２の温度制御とサブヒータ２０３の温度制御とが互いに異なったものとなり、しかもヒータ２００近傍における上下方向の温度分布の変化に応じてその異なり方も変化し、更に双方のゾーンの温度変化が互いに影響し合うこととなる。
【０００７】
このような温度制御状態が異なる現象は、上端部側のサブヒータ２０１とメインヒータ２０２との間でも起こり、この結果ウエハボート１０３の搬入（ローディング）終了後における各ヒータ２００近傍の温度の安定化に時間が掛かってしまうという問題が生じていた。ウエハボート１０３の搬入後、通常反応管１０１内部を所定のプロセス温度まで昇温するが、昇温前に反応管１０１内の温度が安定していないと昇温後の温度の安定化に時間がかかってしまうため、結局スループットが低下することとなってしまう。
【０００８】
本発明はこのような事情に基づいてなされたものであり、その目的は、複数ゾーンに分割された熱処理雰囲気内で基板の処理を行うにあたり、各ゾーン毎の温度を速やかに安定させることができ、スループットの向上を図ることができる技術を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、熱処理雰囲気が複数のゾーンに分割された反応容器内に複数の基板を搬入し、前記反応容器内に処理ガスを導入して熱処理を行う熱処理装置において、
前記複数のゾーンを夫々加熱するための複数の加熱手段と、
各ゾーン毎に設けられた温度検出部と、
温度目標値と各温度検出部の温度検出値とに基づいて各加熱手段を独立して制御する制御部と、を備え、
一のゾーンに対応する制御部は、前記基板の搬入時には、他のゾーンに対応する温度検出部の温度検出値を温度目標値として演算を行い、その演算結果を加熱手段の制御信号として出力する第１の演算部を備えていることを特徴とする。
【００１０】
具体例を示すと、反応容器は縦型に構成されると共に基板は保持具に搭載されて反応容器の下方側から搬入され、熱処理雰囲気は、上下方向に例えば少なくとも３段に分割され、前記一のゾーンは例えば最下段ゾーンであり、前記他のゾーンは、最上段以外のゾーンである。温度検出部は、例えば加熱手段の温度を検出する第１の温度検出部を含み、前記他のゾーンに対応する温度検出部の温度検出値は第１の温度検出部の温度検出値である。また温度検出部は、例えば反応容器内の温度を検出する第２の温度検出部を含み、前記他のゾーンに対応する温度検出部の温度検出値は第２の温度検出部の温度検出値である。
【００１１】
本発明によれば、基板を反応容器内に搬入するときに、一のゾーンの温度制御が他のゾーンの温度制御に追従するため、基板を搬入した後、速やかに反応容器内の温度が安定し、例えばその後反応容器内の温度をプロセス温度まで昇温すると、速やかにプロセス温度に安定する。なお本発明は、基板搬入時の各ゾーンの温度とプロセス時の各ゾーンの温度とが同じ場合も適用できる。
【００１２】
制御部についての具体例を示すと、一のゾーンに対応する制御部は、
基板の搬入時には、他のゾーンに対応する温度検出部の温度検出値を温度目標値として演算を行い、その演算結果を加熱手段の制御信号として出力する第１の演算部と、
基板を熱処理するときには、当該一のゾーンに設定された専用の温度目標値と当該一のゾーンに対応する温度検出部の温度検出値とに基づいて演算を行い、その演算結果を加熱手段の制御信号として出力する第２の演算部と、を備えたことを特徴とする。
【００１３】
また本発明の他の具体例を示すと、加熱手段の温度を検出する第１の温度検出部、及び反応容器内の温度を検出する第２の温度検出部が設けられ、
一のゾーンに対応する制御部は、
基板の搬入時には、他のゾーンに対応する第１の温度検出部または第２の温度検出部の温度検出値を温度目標値として演算を行い、その演算結果を加熱手段の制御信号として出力する第１の演算部と、
基板を熱処理するときには、当該一のゾーンに設定された専用の温度目標値と当該ゾーンに対応する第１の温度検出部及び第２の温度検出部の各温度検出値とに基づいて演算を行い、その演算結果を加熱手段の制御信号として出力する第２の演算部と、を備えたことを特徴とする。
【００１４】
前記一のゾーンに対応する制御部の第１の演算部は、他のゾーンに対応する温度検出部の温度検出値に補正値を加算した値と当該一のゾーンに対応する温度検出部の温度検出値との偏差分に基づいて演算を行い、その演算結果を加熱手段の制御信号として出力する構成とすることができる。この場合補正値は、例えば基板を熱処理するときに一のゾーンに設定された専用の温度目標値と他のゾーンに対応する温度目標値との差分である。また第１の演算部は、前記偏差分に所定の割合を掛けた値に基づいて演算を行うようにしてもよい。
【００１５】
本発明方法は、熱処理雰囲気が複数のゾーンに分割された反応容器内に複数の基板を搬入し、前記複数のゾーンに夫々対応する複数の加熱手段により各ゾーンの加熱を行うと共に、前記反応容器内に処理ガスを導入して熱処理を行う熱処理方法において、
各ゾーンに対応する温度を検出する工程と、
温度目標値と各ゾーン毎の温度検出値とに基づき各加熱手段を制御する工程と、
前記基板の搬入時には、一のゾーンにおける温度目標値として他のゾーンに対応する温度検出値を用いて加熱手段を制御する工程と、を含むことを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明を縦型熱処理装置に適用した実施の形態の全体構成図である。先ずこの縦型熱処理装置の全体構成について簡単に述べておくと、この装置は、例えば両端が開口している内管１ａ及び上端が閉塞している外管１ｂからなる例えば石英製の二重構造の反応管１を備えている。反応管１の周囲には筒状の断熱体２１がベース体２２に固定して設けられ、この断熱体２１の内側には加熱手段である例えば抵抗発熱体からなるヒータ３及び天井ヒータ３１が設けられている。ヒータ３は例えば上下に３段分割（３ａ，３ｂ，３ｃ）して断熱体２１の側壁に設けられ、天井ヒータ３１は天井部に設けられている。
【００１７】
ヒータ３（３ａ〜３ｃ）のうち中段のヒータ３ｂは、図１に示すように大部分の熱処理雰囲気を形成するいわばメインヒータであり、その上下に配置されるヒータ３ａ及び３ｃは、夫々反応管１の上端部及び下端部の熱処理雰囲気を形成するメインヒータ３ｂよりも小型のいわばサブヒータである。ヒータ３の素材としては、例えば線径１０ミクロン前後の高純度のカーボンファイバの束を複数用いて編み込むことにより形成されたカーボンワイヤをセラミックス例えば外径が十数ミリの透明な石英管の中に封止したものを用いることができる。なおヒータ３はこれに限定されるものではなく例えば鉄−タンタル−カーボン合金などの金属体であってもよい。
【００１８】
内管１ａ及び外管１ｂは下部側にて筒状のマニホ−ルド２３の上に支持され、このマニホ−ルド２３には、内管１ａの内側の下部領域に供給口が開口するようにガス供給管２４が設けられると共に、内管１ａと外管１ｂとの間から排気するように図示しない真空ポンプに一端側が接続された排気管２５が接続されている。この例では内管１ａ、外管１ｂ及びマニホ−ルド２３により反応容器が構成される。
【００１９】
更にマニホ−ルド２３の下端開口部を塞ぐように蓋体１１が設けられており、この蓋体１１はボ−トエレベ−タ１２の上に設けられている。蓋体１１の上には保温ユニット１３と、ボートエレベータ１２に設けられる駆動部１４と接続し、保温ユニット１３内部を貫通して設けられる回転軸１５と、この回転軸１５によりその下端を回転自在に保持される基板保持具をなすウエハボート１６とが設けられている。ウエハボート１６は多数の基板であるウエハＷを棚状に保持できる構成とされており、また保温ユニット１３は石英フィンなどの断熱ユニット１３ａ及び発熱体ユニット１３ｂ等を組み合わせた構成とされている。
【００２０】
蓋体１１には、熱電対用の細い石英管４０が内管１１ａ内の熱処理雰囲気に立ち上げられて貫通しており、この石英管４０内には、例えば３段に分割された各ヒータ３（３ａ，３ｂ，３ｃ）が受け持つ熱処理雰囲気の温度を夫々検出するように内部温度検出部である３個の内部熱電対（第２の温度検出部）４（４ａ，４ｂ，４ｃ）が設けれている。また内管１ａと外管１ｂとの間におけるヒータ３（３ａ，３ｂ，３ｃ）の近傍には、夫々ヒータ３（３ａ，３ｂ，３ｃ）の温度を夫々検出する外部温度検出部である外部熱電対（第１の温度検出部）５（５ａ，５ｂ，５ｃ）が設けられている。
【００２１】
そして、各段のヒータ３（３ａ，３ｂ，３ｃ）に対応して、電力を供給する電力供給部２０（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ）、及び夫々の電力供給部２０（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ）の供給電力を制御して各ヒータ３（３ａ，３ｂ，３ｃ）の発熱量を制御するための制御部６，７，８が設けられている。詳細は後述するが関連部位の配線構成について簡単に説明しておくと、内部熱電対４（４ａ，４ｂ，４ｃ）及び外部熱電対５（５ａ，５ｂ，５ｃ）は各々が対応する各段の制御部６，７，８のいずれかへと接続され、ヒータ３ｂが受け持つ中段に設けられる外部熱電対５ｂから延びる信号線は、途中で分岐して制御部７のみならず制御部６及び８へも接続される。また断熱体２１の天井部に設けた天井ヒータ３１においても、ヒータ３（３ａ，３ｂ，３ｃ）と同様に熱電対３２が設けられており、制御部３３から電力供給部３４を介してヒータ３１に対する給電量をコントロールすることで、発熱量の調節を行う構成とされている。
【００２２】
ヒータ３（３ａ，３ｂ，３ｃ）及びこれに接続する制御部６，７，８において、上記のような配線構造としている理由は、ヒータ３を各段毎に別個に制御する場合と、メインヒータをなすヒータ３ｂに対応する外部熱電対５ｂの温度検出値を他の部位で利用して、ヒータ３ａ及び３ｃではいわゆる追従制御を行う場合とで切り替える運用を可能とするためであり、以下図２を参照しながら本実施の形態の要部をなすヒータ３の制御系の構成について説明を行う。
【００２３】
先ず制御部６，８は上述したように２つの演算方法を使い分ける必要があることから制御部６には第１の演算部６１及び第２の演算部６２が、制御部８には第１の演算部８１及び第２の演算部８２が、夫々設けられており、演算方法を切り替える必要のない制御部７には第２の演算部７２のみが設けられている（７１は便宜的に欠番とする）。即ち、制御部６，８にのみ設けられる第１の演算部６１，８１は、制御部６，８が制御部７に追従（正確には制御部７が受け持つゾーン（熱処理雰囲気）から得られる温度検出値に追従）する演算を行う際に使用されるものであるため、上述した外部熱電対５ｂから延びる信号線は、制御部６では第１の演算部６１へ、制御部８では第１の演算部８１へと夫々接続される。
【００２４】
一方、第２の演算部６２，７２，８２では、対応するゾーン毎に設けられる内部熱電対及び外部熱電対から得られる温度検出値と、夫々別個に各ゾーン専用に設定される温度目標値とに基づいて演算が行われるため、第２の演算部６２（７２，８２）には内部熱電対４ａ（４ｂ，４ｃ），外部熱電対５ａ（５ｂ，５ｃ）及び目標値出力部６３（７３，８３）が接続される。そして第１の演算部６１，８１または第２の演算部６２，７２，８２にて出力される演算結果は、制御信号として電力供給部２０（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ）へと出力される構成とされているが、制御部６（８）では切り替え部６４（８４）により第１の演算部６１（８１）または第２の演算部６２（８２）のいずれを使用するか選択できるようになっている。
【００２５】
ここで第１の演算部６１，８１の構成を説明するが、これらは同じであるため、第１の演算部８１を例にとって図３を参照しながら説明する。図中８１１は比較演算部、８１２は補正値出力部であり、比較演算部８１１では、中段ゾーンに設けられる外部熱電対５ｂの温度検出値を温度目標値とし、この温度目標値から補正値出力部８１２から出力される補正値を加算し、更に下段ゾーン設けられる外部熱電対５ｃの温度設定値を差し引く。前記補正値は中段ゾーン及び下段ゾーンにおけるプロセス時の目標温度の差を補正するためのいわば静的な補正要素であり、具体的には例えば後述する第２の演算部７２，８２にて用いる目標値出力部７３，８３から出力される双方の温度目標値の差分値である。
【００２６】
比較演算部８１１の出力側には、その出力値（偏差分）ｑ１に対して所定の係数ｋを乗じる乗算部８１３が設けられる。この演算は、既述のように制御部８が対応する下段ゾーンは反応管１ａの下方側開口部に最も近く、ウエハボート１６と共に流入してくる冷たい空気の影響を受けやすいため、中段ゾーンに比して昇温に要する加熱出力が多くなるということを考慮し、当該出力の増加分を出力値に反映するために行ういわば動的な補正であり、係数ｋの値は例えば１．２（冷気の影響が小さい上段ゾーンに対応する第１の演算部６１では例えば０．８）が用いられる。この出力値に対しては積分要素Ｉ１、比例要素Ｐ１、微分要素Ｄ１についての各種演算（ＰＩＤ演算）が行われ、混合部８１４を介して前記偏差分ｑ１に応じた電力供給を行うための出力値Ｂ１が出力される構成となっている。
【００２７】
次に第２の演算部６２，７２，８２の構成を説明するが、上述した第１の演算部の場合と同様にいずれも同様の構成であるため、第２の演算部８２を例にとって図４を参照しながら説明する。この第２の演算部８２は、内部熱電対４ｃにおける温度検出値をメジャーループに、外部熱電対５ｃの温度検出値をマイナーループに組み込んだカスケード制御を行って制御信号Ｂ２を得るものであり、８２１〜８２４は比較演算部、Ｉ１は積分要素、Ｐ２は比例要素、Ｄ２は積分要素を示す。
【００２８】
ところで、これまで説明してきた制御部６は、実際にはＣＰＵ、プログラムを格納したＲＯＭ及び温度設定値を記録したメモリなどにより構成され、または各演算プログラムによりソフト的に行われるものであるが、本実施の形態ではこのような演算をハード構成で行ってもよい。また切り替え部８４（６４）における第１の演算部８１（６１）から第２の演算部８２（６２）への切り替えのタイミングは、例えばウエハボート１６を搬入した後昇温前に反応容器内の温度が安定したことを検出したとき、或いはウエハボート１６を搬入した後所定時間が経過した後などとすることができ、その逆の切り替えのタイミング例えばプロセス後に反応容器内が所定の温度に降温したときなどとすることができる。
【００２９】
次に上述実施の形態の作用について説明する。上記の装置におけるウエハＷに対する加熱は、該反応管１の側方側に設けられるヒータ３と上部側に設けられる天井ヒータ３１とで行われるが、本実施の形態における要部は分割して設けられるヒータ３（３ａ，３ｂ，３ｃ）の制御方式にあることから、この点に着目しながら図５も参照して説明を行う。先ず基板であるウエハＷを棚状に搭載したウエハボート１６は、図５のｔ１時点においてボ−トエレベ−タ１２を上昇させることで反応容器（反応管１及びマニホ−ルド２３）内へと搬入され始める。このとき反応管１内は既に所定の温度例えば６００℃程度となるように加熱されており、上下段ゾーンに対応する制御部６，８では、既述のように中段ゾーンの温度制御に追従するように切り替え部６４，８４にて第１の演算部６１，８１が選択されている。
【００３０】
先ずウエハボート１６の上端部が反応容器内に進入し始めると、ウエハボート１６及びウエハＷはそれまで反応容器の外に位置していたので冷えており、このためサブヒータ３ｃの受け持ち範囲である反応容器の下段ゾーンの温度が一旦低くなる。またメインヒータ３ｂの受け持ち範囲である中段ゾーンの温度も冷たいウエハボート１６の影響を受けて、下段ゾーンよりも程度は小さいが低くなる。そしてウエハボート１６が中段ゾーンに到達すると、この中段ゾーンの温度も低下するが、ウエハボート１６及びウエハＷは反応容器内を上昇するにつれて徐々に温められていくため、ウエハボート１６の搬入前の中段ゾーンの温度よりも低くなるとはいっても下段ゾーン程低くはならない。
【００３１】
こうしてウエハボート１６が反応容器内に搬入されると、下段ゾーンが一番冷やされ、中段ゾーンも冷やされ、上段ゾーンがわずかに冷却されることになる。下段ゾーンに対応する制御部８では外部熱電対５ｃの温度が低くなるのでサブヒータ３ｃへの供給電力を急激に大きくしようとするが、温度目標値である中段ゾーンの温度検出値も低下するのでこの低下に応じてサブヒータ３ｃへの電力供給量の増加が少し抑えられる。その後は中段ゾーンの温度検出値の上昇に伴い、下段のサブヒータ３ｃの温度が高くなっていく。そして中段ゾーンでは外部熱電対５ｂの温度が温度目標値を越えてオーバシュートした状態となり、以後は外部熱電対５ｂの温度が温度目標値に向かって低下し、この温度の動きに追従して下段のサブヒータ３ｃへの電力供給量が制御され、サブヒータ３ｃの温度が中段のサブヒータ３ｃの温度の収束に合わせて温度目標値に収束していく。
【００３２】
また上段のサブヒータ３ａにおいても中段のメインヒータ３ｂの温度の動きに追従して電力供給量が制御され、サブヒータ３ａの温度が中段のメインヒータ３ｂの温度の収束に合わせて温度目標値に収束していく。なおサブヒータ３ｃ（３ａ）が収束する温度は、図３で示したように中段の温度検出値に補正値を加算する演算を行っているので、例えば熱処理時（プロセス時）に中段ゾーンよりも下段ゾーンの温度目標値が例えば１０℃高ければ、下段のサブヒータ３ｃが収束する温度は、メインヒータ３ｂの温度よりも１０℃高い値となる。
【００３３】
そしてｔ２時点にてウエハボート１６の搬入が完了し、ｔ３時点まで反応容器内の各ゾーンの温度が安定すると、制御部６，８は第１の演算部６１，８１から第２の演算部６２，８２に切り替えてヒータ３ａ，３ｃの電力制御を行い、ｔ３時点から昇温を開始し、所定のプロセス温度まで加熱した後、ｔ４時点（詳しくは各ゾーンがプロセス温度に安定した後）においてウエハＷに対して熱処理を行う。この熱処理の一例としては、例えば反応容器内を８００℃程度に維持し、所定の成膜ガスをガス供給管２３から反応容器内に供給すると共に排気管２５から真空排気して所定の真空度に維持し、ウエハＷに対して成膜処理を行うプロセスを挙げることができる。なお第１の演算部６１，８１から第２の演算部６２，８２への切り替えは、昇温途中あるいはプロセス温度に安定したときであってもよい。ｔ５時点においてウエハＷ表面に所定の成膜が形成されると、例えば搬入時の温度である６００℃程度まで降温した後、例えばｔ６時点において搬入時とは逆の手順でウエハボート１６の搬出が行われる。
【００３４】
これまで述べてきたように、上述実施の形態によれば複数分割して設けられるヒータ３（３ａ，３ｂ，３ｃ）の温度制御において、上下段ゾーンの加熱制御を受け持つ制御部６，８は、ウエハＷの搬入時に中段ゾーンの温度検出値を温度目標値としてこれと自己のゾーンの温度検出値とに基づいて温度制御を行っているため、各ゾーンの温度が速やかに温度目標値に安定する。例えば下段のサブヒータ３ｃ近傍については、ウエハボート１６の搬入により温度が低下するが、温度目標値である中段のメインヒータ３ｂ近傍の温度も低下するため、温度目標値と温度検出値との偏差分が小さくなり、サブヒータ３ｃの発熱量の増加が緩やかになる。そしてサブヒータ３ｃ近傍の温度は本来の温度目標値を越えてオーバシュートし、今度はサブヒータ３ｃの発熱量が小さくなろうとする（温度が低くなろうとする）が、メインヒータ３ｂ近傍の温度に追従するので、従来のように温度目標値が一定だった場合に比べて温度の低下が緩やかになり、この結果温度の上下の振れが抑えられて温度目標値に速やかにソフトランディングする。また上段のサブヒータ３ａ近傍についてもメインヒータ３ｂ近傍の温度に追従するので、温度が温度目標値に速やかに安定する。
【００３５】
更に冷たいウエハボート１６及びウエハＷが反応容器内に搬入されるときに、各ゾーンの温度がウエハボート１６及びウエハＷから影響を受ける度合いに応じて制御部６，８の第２の演算部６２，８２の中に、中段ゾーンにおける制御部７に対する追従割合を組み込んでいる。例えば上述の例では、上段のゾーンが受ける影響の度合いは中段のゾーンが受ける影響の度合いよりも小さく、また下段のゾーンが受ける影響の度合いは中段のゾーンが受ける影響の度合いよりも大きいことから、上段ゾーンにおける制御部７の追従割合は０．８、下段ゾーンにおける制御部８の追従割合は１．２に夫々設定している。図６は、中段ゾーンの外部熱電対５ｂの温度検出値の変化と、追従割合を５％，３０％，１００％に変えたときの上段ゾーンの各温度検出値とを示したものであり、この図から分かるように、上段ゾーンの外部熱電対５ａの温度検出値の変化幅は追従割合が大きくなれば増加し、追従割合が小さくなれば減少する。従って上述の実施の形態のようにメインヒータ３ｂに対するサブヒータ３ａ，３ｃの温度制御の追従する割合を調整しておくことにより、ウエハボート１６の搬入時の反応容器内の温度分布に見合った温度制御を上段ゾーン、下段ゾーンの夫々で行うことができ、この点からも各ゾーンの温度が温度目標値に速やかに安定する。「発明が解決しようとする課題」の項目で述べたようにウエハボート１６の搬入後の各ゾーンの温度安定時間がスループットを大きく左右することから、この実施の形態ではスループットを向上させることができる。
【００３６】
図７は、図１に示す縦型熱処理装置において、ウエハボート１６が反応容器内に搬入される前のサブヒータ３ａ近傍，メインヒータ３ｂ近傍，サブヒータ３ｃ近傍の温度が夫々５７５℃，５７３℃，５６０℃に安定している状態からウエハボート１６の搬入を行ったときの各ヒータ３ａ〜３ｃ近傍の温度の経時変化をシュミレーションした結果を示すものである。ウエハボート１６の搬入を開始してから各ヒータ３ａ〜３ｃ近傍の温度が安定化するまでの時間はおよそ１３分間であり、ウエハＷの搬入時に各ゾーンの温度が短時間で安定することが分かる。
【００３７】
なお、第１の演算部６１，８１の説明において、上下段の各ゾーンにおける中段ゾーンとの誤差調整を行う演算方法として、予め定めた係数ｋを掛け合わせる手法を記載したが、ウエハボート１６の上昇時において、当該ウエハボート１６の位置に応じてｋを変化させるようにしてもよい。また本実施の形態では、ウエハＷの搬入時に各制御部６，７，８に夫々対応する内部熱電対４ａ〜４ｃの温度検出値を取り込み、制御部６，８においては中段ゾーンの内部熱電対４ｂの温度検出値を温度目標値として夫々内部熱電対４ａ，４ｃの温度検出値と比較し、その偏差分に応じてサブヒータ３ａ，３ｃの温度制御を行うと共に、制御部７においては専用の温度目標値と内部熱電対４ｂの温度検出値との偏差分に応じてメインヒータ３ｂを制御するようにしてもよい。更にまた本実施の形態は、下段のサブヒータ３ｃについてのみ、中段ゾーンに対応する温度検出値を温度目標値とする追従制御を行うようにしてもよい。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、複数ゾーンに分割された熱処理雰囲気内で基板の処理を行うにあたり、各ゾーン毎の温度を速やかに安定させることができ、スループットの向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る熱処理装置の実施の形態を示す縦断面図である。
【図２】本実施の形態にて使用される制御部及びその関連部位を示すブロック図である。
【図３】前記制御部内に設けられる第１の演算部の内部構成を示すブロック図である。
【図４】前記制御部内に設けられる第２の演算部の内部構成を示すブロック図である。
【図５】本実施の形態における温度の経時変化と使用する演算部との関係を示す作用説明図である。
【図６】前記第１の演算部における作用を説明するために作用説明図である。
【図７】ウエハボート搬入時の各外部熱電対における温度変化の様子を示す特性図である。
【図８】従来の熱処理装置の全体構造を示す縦断面図である。
【符号の説明】
Ｗ半導体ウエハ
１反応管
１６ウエハボート
２０（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ）電力供給部
２１断熱体
３（３ａ，３ｂ，３ｃ）ヒータ
４（４ａ，４ｂ，４ｃ）内部熱電対
５（５ａ，５ｂ，５ｃ）外部熱電対
６，７，８制御部
６１，８１第１の演算部
６２，７２，８２第２の演算部
６３，７３，８３目標値出力部
８１２補正値出力部
８１３乗算部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a heat treatment apparatus and a heat treatment method for performing heat treatment on a substrate such as a semiconductor wafer.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art A vertical heat treatment apparatus used in a semiconductor device manufacturing process that collectively performs heat treatment such as film formation processing by CVD (chemical vapor deposition), oxidation, and diffusion processing on a large number of semiconductor wafers (hereinafter referred to as wafers). is there. In this apparatus, a plurality of wafers are held in a shelf shape in a holder called a wafer boat, and then the holder is carried into, for example, a vertical heat treatment furnace from the lower side, for example, and a processing atmosphere is heated to a predetermined temperature. Thus, heat treatment is performed. Generally, the heat treatment furnace is configured to include a plurality of heating means and temperature control means corresponding to each of the zones so that the zone to be heated can be divided into a plurality of upper and lower parts and the temperature can be controlled for each zone.
[0003]
By the way, the present inventor is examining a vertical heat treatment apparatus as shown in FIG. 8 using a carbon wire heater as a heating means. In FIG. 8, reference numeral 101 denotes a reaction vessel having an opening on the lower side, and a heater 200 divided into, for example, three upper and lower stages is provided around the reaction vessel. The heater 200 includes a main heater 202 that heats most of the heat treatment region, and sub-heaters 201 and 203 provided above and below the main heater 202. In this apparatus, when the wafer boat 103 that holds a large number of wafers W in a shelf shape is loaded into the reaction tube 101 through the opening 102, the lid 104 provided at the lower end of the wafer boat 103 is opened. The part 102 is closed and the inside of the reaction tube 101 is heated to a predetermined temperature to perform a predetermined heat treatment.
[0004]
Further, an internal thermocouple 300 (301 to 303) is provided inside the reaction tube 101 and an external thermocouple 400 (in the vicinity of each heater 200 is detected so as to detect the temperature of the heat treatment atmosphere that each heater 200 is responsible for. 401 to 403) are provided, and the temperature detection values obtained from the thermocouples 300 and 400 are taken into the control units 500 (501 to 503) provided for the respective heaters 200 (201 to 203). ing. That is, the control unit 500 (501 to 503) performs separate heating value control for each corresponding heater 200 (201 to 203) based on the temperature detection value and the temperature target value set for each stage. Is possible.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, when the wafer boat 103 is carried in, the vicinity of the sub heater 203 on the lower side is affected by the external atmosphere flowing into the reaction tube 101 through the opening 102, and the temperature is lower than that in the vicinity of the main heater 202. . Under such circumstances, when the wafer W and the wafer boat 103 cooled from the opening 102 (which have a lower temperature than the atmosphere in the reaction tube 101) and the wafer boat 103 are loaded, first, the temperature near the sub-heater 203 further decreases, and the wafer As the boat 103 ascends, the vicinity of the main heater 202 and the vicinity of the sub heater 201 on the upper side are also affected and the temperature decreases.
[0006]
Accordingly, the temperature in the vicinity of the heater 200 becomes higher toward the upper side, and the temperatures of the wafer W and the wafer boat 103 are heated by the heater 200 and gradually increase as the positions thereof rise. The temperature distribution changes every moment according to the position of the wafer boat 103. For this reason, the temperature in the vicinity of the sub-heater 203 on the lower end side is rapidly lowered by loading the wafer boat 103, so that the control unit 503 acts to increase the input power to the sub-heater 203. On the other hand, the temperature in the vicinity of the main heater 202 decreases with the introduction of the wafer boat 103, but the degree thereof is less than that in the vicinity of the sub-heater 203. As described above, the temperature control of the main heater 202 and the temperature control of the sub heater 203 are different from each other, and the difference also changes in accordance with the change in the temperature distribution in the vertical direction in the vicinity of the heater 200. Temperature changes will affect each other.
[0007]
Such a phenomenon in which the temperature control state is different also occurs between the sub heater 201 on the upper end side and the main heater 202, and as a result, the temperature in the vicinity of each heater 200 is stabilized after the loading of the wafer boat 103 is completed. There was a problem of taking time. After the wafer boat 103 is loaded, the temperature inside the reaction tube 101 is normally raised to a predetermined process temperature. If the temperature in the reaction tube 101 is not stable before the temperature rise, it takes time to stabilize the temperature after the temperature rise. As a result, the throughput will eventually decrease.
[0008]
The present invention has been made based on such circumstances, and its purpose is to quickly stabilize the temperature of each zone when processing a substrate in a heat treatment atmosphere divided into a plurality of zones. An object of the present invention is to provide a technique capable of improving the throughput.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides a heat treatment apparatus for carrying a heat treatment by carrying a plurality of substrates into a reaction vessel in which a heat treatment atmosphere is divided into a plurality of zones and introducing a treatment gas into the reaction vessel.
A plurality of heating means for respectively heating the plurality of zones;
A temperature detector provided for each zone;
A control unit that controls each heating means independently based on the temperature target value and the temperature detection value of each temperature detection unit, and
When the substrate is loaded, the control unit corresponding to one zone performs calculation using the temperature detection value of the temperature detection unit corresponding to the other zone as a temperature target value, and outputs the calculation result as a control signal for the heating unit. It has the 1st calculating part, It is characterized by the above-mentioned.
[0010]
As a specific example, the reaction vessel is configured in a vertical shape and the substrate is mounted on a holder and carried from the lower side of the reaction vessel, and the heat treatment atmosphere is divided into at least three stages in the vertical direction, for example. The zone is, for example, the lowermost zone, and the other zones are zones other than the uppermost zone. The temperature detection unit includes, for example, a first temperature detection unit that detects the temperature of the heating unit, and the temperature detection value of the temperature detection unit corresponding to the other zone is the temperature detection value of the first temperature detection unit. Further, the temperature detection unit includes, for example, a second temperature detection unit that detects the temperature in the reaction vessel, and the temperature detection value of the temperature detection unit corresponding to the other zone is the temperature detection value of the second temperature detection unit. is there.
[0011]
According to the present invention, when the substrate is carried into the reaction vessel, the temperature control in one zone follows the temperature control in the other zone, so that the temperature in the reaction vessel is quickly stabilized after the substrate is carried in. For example, when the temperature in the reaction vessel is subsequently raised to the process temperature, the process temperature is quickly stabilized. The present invention can also be applied to the case where the temperature of each zone at the time of substrate loading is the same as the temperature of each zone during the process.
[0012]
When a specific example of the control unit is shown, the control unit corresponding to one zone is
A first calculation unit that calculates a temperature detection value of a temperature detection unit corresponding to another zone as a temperature target value and outputs the calculation result as a control signal of the heating unit when the substrate is loaded;
When the substrate is heat-treated, the calculation is performed based on the dedicated temperature target value set in the one zone and the temperature detection value of the temperature detection unit corresponding to the one zone, and the calculation result is controlled by the heating means. And a second arithmetic unit that outputs the signal as a signal.
[0013]
According to another specific example of the present invention, a first temperature detection unit for detecting the temperature of the heating means and a second temperature detection unit for detecting the temperature in the reaction vessel are provided,
The control unit corresponding to one zone is
When the substrate is carried in, the temperature detection value of the first temperature detection unit or the second temperature detection unit corresponding to the other zone is calculated as the temperature target value, and the calculation result is output as a control signal for the heating means. 1 arithmetic unit;
When the substrate is heat-treated, the calculation is performed based on the dedicated temperature target value set in the one zone and the temperature detection values of the first temperature detection unit and the second temperature detection unit corresponding to the zone. And a second calculation unit that outputs the calculation result as a control signal for the heating means.
[0014]
The first calculation unit of the control unit corresponding to the one zone includes a value obtained by adding the correction value to the temperature detection value of the temperature detection unit corresponding to the other zone and the temperature of the temperature detection unit corresponding to the one zone. A calculation can be performed based on the deviation from the detected value, and the calculation result can be output as a control signal for the heating means. In this case, the correction value is, for example, a difference between a dedicated temperature target value set in one zone when the substrate is heat-treated and a temperature target value corresponding to another zone. Further, the first calculation unit may perform the calculation based on a value obtained by multiplying the deviation by a predetermined ratio.
[0015]
In the method of the present invention, a plurality of substrates are carried into a reaction vessel in which a heat treatment atmosphere is divided into a plurality of zones, each zone is heated by a plurality of heating means respectively corresponding to the plurality of zones, and the reaction vessel In a heat treatment method in which a treatment gas is introduced and heat treatment is performed,
Detecting a temperature corresponding to each zone;
Controlling each heating means based on the temperature target value and the temperature detection value for each zone;
And a step of controlling the heating means using a temperature detection value corresponding to another zone as a temperature target value in one zone when the substrate is carried in.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is an overall configuration diagram of an embodiment in which the present invention is applied to a vertical heat treatment apparatus. First, the overall configuration of the vertical heat treatment apparatus will be briefly described. This apparatus is composed of, for example, a double structure made of, for example, quartz, which includes an inner tube 1a having both ends open and an outer tube 1b having an upper end closed. The reaction tube 1 is provided. A cylindrical heat insulator 21 is fixed to the base body 22 around the reaction tube 1, and a heater 3 made of, for example, a resistance heating element and a ceiling heater 31 are provided inside the heat insulator 21. It has been. For example, the heater 3 is divided into upper and lower stages (3a, 3b, 3c) and provided on the side wall of the heat insulating body 21, and the ceiling heater 31 is provided on the ceiling.
[0017]
Among the heaters 3 (3a to 3c), the middle heater 3b is a main heater that forms most of the heat treatment atmosphere as shown in FIG. 1, and the heaters 3a and 3c arranged above and below the reactor 3 are respectively reaction tubes. 1 is a sub-heater that is smaller than the main heater 3b that forms the heat treatment atmosphere of the upper end portion and the lower end portion. As a material of the heater 3, for example, a carbon wire formed by knitting a plurality of bundles of high-purity carbon fibers having a wire diameter of about 10 microns is placed in ceramics, for example, a transparent quartz tube having an outer diameter of several tens of millimeters. What was sealed can be used. The heater 3 is not limited to this, and may be a metal body such as an iron-tantalum-carbon alloy.
[0018]
The inner pipe 1a and the outer pipe 1b are supported on a cylindrical manifold 23 on the lower side, and a gas is provided in the manifold 23 so that a supply port opens in a lower region inside the inner pipe 1a. A supply pipe 24 is provided, and an exhaust pipe 25 having one end connected to a vacuum pump (not shown) is connected to exhaust from between the inner pipe 1a and the outer pipe 1b. In this example, a reaction vessel is constituted by the inner tube 1a, the outer tube 1b and the manifold 23.
[0019]
Further, a lid 11 is provided so as to close the lower end opening of the manifold 23, and the lid 11 is provided on the boat elevator 12. A heat retaining unit 13 and a drive unit 14 provided in the boat elevator 12 are connected to the lid body 11, and a rotating shaft 15 provided through the heat retaining unit 13 and a lower end of the rotating shaft 15 are freely rotatable. And a wafer boat 16 serving as a substrate holder to be held on the substrate. The wafer boat 16 is configured to hold a number of wafers W as a substrate in a shelf shape, and the heat retaining unit 13 is configured to combine a heat insulating unit 13a such as a quartz fin, a heating element unit 13b, and the like.
[0020]
A thin quartz tube 40 for thermocouple is set up in and penetrates the lid 11 in a heat treatment atmosphere in the inner tube 11a, and each heater 3 divided into, for example, three stages is provided in the quartz tube 40. Three internal thermocouples (second temperature detectors) 4 (4a, 4b, 4c), which are internal temperature detectors, are provided so as to detect the temperature of the heat treatment atmosphere that (3a, 3b, 3c) is responsible for. ing. Further, in the vicinity of the heater 3 (3a, 3b, 3c) between the inner pipe 1a and the outer pipe 1b, there is an external thermoelectric unit which is an external temperature detecting unit for detecting the temperature of the heater 3 (3a, 3b, 3c). A pair (first temperature detector) 5 (5a, 5b, 5c) is provided.
[0021]
And corresponding to the heaters 3 (3a, 3b, 3c) of each stage, the power supply units 20 (20a, 20b, 20c) for supplying power and the respective power supply units 20 (20a, 20b, 20c) Control units 6, 7, and 8 are provided for controlling the amount of heat generated by the heaters 3 (3a, 3b, 3c) by controlling the supplied power. Although the details will be described later, the wiring configuration of the related part will be briefly described. The internal thermocouple 4 (4a, 4b, 4c) and the external thermocouple 5 (5a, 5b, 5c) A signal line connected to one of the control units 6, 7, and 8 and extending from the external thermocouple 5 b provided in the middle stage of the heater 3 b branches halfway to the control unit 6 as well as the control unit 6 and 8. Is also connected. The ceiling heater 31 provided on the ceiling portion of the heat insulator 21 is also provided with a thermocouple 32 in the same manner as the heater 3 (3a, 3b, 3c), and the heater 31 is supplied from the control unit 33 via the power supply unit 34. The amount of heat generation is adjusted by controlling the amount of power supplied to the.
[0022]
In the heater 3 (3a, 3b, 3c) and the control units 6, 7, and 8 connected thereto, the wiring structure as described above is because the heater 3 is controlled separately for each stage and the main heater. This is because the temperature detection value of the external thermocouple 5b corresponding to the heater 3b forming the above can be used in other parts, and the heaters 3a and 3c can be switched to perform so-called follow-up control. The configuration of the control system of the heater 3 that forms the main part of the present embodiment will be described with reference to FIG.
[0023]
First, since the control units 6 and 8 need to use the two calculation methods properly as described above, the control unit 6 includes the first calculation unit 61 and the second calculation unit 62, and the control unit 8 includes the first calculation unit. A calculation unit 81 and a second calculation unit 82 are provided, and only the second calculation unit 72 is provided in the control unit 7 that does not need to switch the calculation method (71 is a missing number for convenience). To do). In other words, the first calculation units 61 and 81 provided only in the control units 6 and 8 are configured so that the control units 6 and 8 follow the control unit 7 (more precisely, the temperature obtained from the zone (heat treatment atmosphere) that the control unit 7 is responsible for). The signal line extending from the external thermocouple 5b described above is used for the calculation that follows the detection value), so that the signal line extending from the external thermocouple 5b is the first calculation unit 61 in the control unit 6 and the first in the control unit 8. Each is connected to the calculation unit 81.
[0024]
On the other hand, in the second calculation units 62, 72, and 82, the temperature detection value obtained from the internal thermocouple and the external thermocouple provided for each corresponding zone, and the temperature target value set individually for each zone, and Therefore, the second calculation unit 62 (72, 82) includes an internal thermocouple 4a (4b, 4c), an external thermocouple 5a (5b, 5c), and a target value output unit 63 (73, 73). 83) is connected. And the calculation result output in the 1st calculating part 61,81 or the 2nd calculating part 62,72,82 is output to the electric power supply part 20 (20a, 20b, 20c) as a control signal, and However, in the control unit 6 (8), the switching unit 64 (84) can select either the first calculation unit 61 (81) or the second calculation unit 62 (82) to be used. Yes.
[0025]
Here, the configurations of the first calculation units 61 and 81 will be described. Since these are the same, the first calculation unit 81 will be described as an example with reference to FIG. In the figure, reference numeral 811 denotes a comparison calculation unit, and 812 denotes a correction value output unit. The comparison calculation unit 811 uses the temperature detection value of the external thermocouple 5b provided in the middle zone as a temperature target value, and outputs a correction value from this temperature target value. The correction value output from the unit 812 is added, and the temperature set value of the external thermocouple 5c provided in the lower zone is further subtracted. The correction value is a so-called static correction element for correcting a difference in target temperature during the process in the middle zone and the lower zone, and specifically, for example, a target used in second calculation units 72 and 82 described later. It is a difference value between both temperature target values output from the value output units 73 and 83.
[0026]
On the output side of the comparison operation unit 811, a multiplication unit 813 is provided that multiplies the output value (deviation) q 1 by a predetermined coefficient k. As described above, the lower zone corresponding to the control unit 8 is closest to the lower opening of the reaction tube 1a and is easily affected by the cold air flowing in with the wafer boat 16, as described above. In consideration of the fact that the heating output required for temperature rise is larger than that, so-called dynamic correction is performed in order to reflect the increase in the output in the output value. For example, 0.8) is used in the first calculation unit 61 corresponding to the upper zone where the influence of cold air is small. For this output value, various calculations (PID calculation) are performed on the integral element I1, the proportional element P1, and the differential element D1, and an output for supplying power according to the deviation q1 via the mixing unit 814. The value B1 is output.
[0027]
Next, the configuration of the second calculation units 62, 72, and 82 will be described. Since the configuration is the same as that of the first calculation unit described above, the second calculation unit 82 is illustrated as an example. This will be described with reference to FIG. The second calculation unit 82 obtains a control signal B2 by performing cascade control in which the temperature detection value of the internal thermocouple 4c is incorporated in the major loop and the temperature detection value of the external thermocouple 5c is incorporated in the minor loop. Reference numerals 821 to 824 denote comparison operation units, I1 denotes an integral element, P2 denotes a proportional element, and D2 denotes an integral element.
[0028]
By the way, the control unit 6 described so far is actually constituted by a CPU, a ROM storing a program, a memory recording a temperature set value, or the like, or is performed by software by each arithmetic program. In this embodiment, such a calculation may be performed with a hardware configuration. The switching timing of the switching unit 84 (64) from the first calculation unit 81 (61) to the second calculation unit 82 (62) is, for example, in the reaction vessel in the reaction vessel before the temperature rise after the wafer boat 16 is loaded. When it is detected that the temperature is stable, or after a predetermined time has elapsed after the wafer boat 16 is loaded, the reverse switching timing, for example, the temperature inside the reaction vessel is lowered to a predetermined temperature after the process. And so on.
[0029]
Next, the operation of the above embodiment will be described. Heating of the wafer W in the above apparatus is performed by the heater 3 provided on the side of the reaction tube 1 and the ceiling heater 31 provided on the upper side, but the main part in the present embodiment is provided separately. Since the heater 3 (3a, 3b, 3c) is in the control method, the description will be made with reference to FIG. 5 while paying attention to this point. First, the wafer boat 16 on which the wafers W as the substrates are mounted in a shelf shape is carried into the reaction vessel (reaction tube 1 and manifold 23) by raising the boat elevator 12 at time t1 in FIG. Start to be. At this time, the inside of the reaction tube 1 is already heated to a predetermined temperature, for example, about 600 ° C., and the control units 6 and 8 corresponding to the upper and lower zones follow the temperature control of the middle zone as described above. As described above, the first calculation units 61 and 81 are selected by the switching units 64 and 84.
[0030]
First, when the upper end portion of the wafer boat 16 begins to enter the reaction vessel, the wafer boat 16 and the wafer W are cooled because they have been located outside the reaction vessel so far, and therefore, the reaction that is within the range of the sub heater 3c. The temperature in the lower zone of the container is once lowered. Also, the temperature of the middle zone, which is the range of the main heater 3b, is affected by the cold wafer boat 16, but is lower to a lower degree than the lower zone. When the wafer boat 16 reaches the middle zone, the temperature of the middle zone also decreases. However, since the wafer boat 16 and the wafer W are gradually warmed as they rise in the reaction vessel, the wafer boat 16 is not yet loaded. Although it is lower than the temperature of the middle zone, it is not as low as the lower zone.
[0031]
Thus, when the wafer boat 16 is carried into the reaction vessel, the lower zone is cooled most, the middle zone is also cooled, and the upper zone is slightly cooled. In the control unit 8 corresponding to the lower zone, the temperature of the external thermocouple 5c is lowered, so that the power supplied to the sub-heater 3c is suddenly increased. However, the temperature detection value of the middle zone, which is the temperature target value, also decreases. The increase in the amount of power supplied to the sub heater 3c is slightly suppressed according to the decrease. After that, as the temperature detection value in the middle zone increases, the temperature of the lower sub-heater 3c increases. In the middle zone, the temperature of the external thermocouple 5b exceeds the temperature target value and overshoots, and thereafter, the temperature of the external thermocouple 5b decreases toward the temperature target value. The amount of power supplied to the sub-heater 3c is controlled, and the temperature of the sub-heater 3c converges to the temperature target value in accordance with the convergence of the temperature of the middle-stage sub-heater 3c.
[0032]
In the upper sub-heater 3a, the power supply amount is controlled following the movement of the temperature of the middle main heater 3b, and the temperature of the sub-heater 3a converges to the temperature target value as the temperature of the middle main heater 3b converges. To go. Note that the temperature at which the sub-heater 3c (3a) converges is calculated by adding a correction value to the temperature detection value at the middle stage as shown in FIG. If the zone temperature target value is, for example, 10 ° C. higher, the temperature at which the lower sub-heater 3c converges is 10 ° C. higher than the temperature of the main heater 3b.
[0033]
When the loading of the wafer boat 16 is completed at time t2 and the temperature of each zone in the reaction vessel is stabilized until time t3, the control units 6 and 8 control the first calculation units 61 and 81 to the second calculation unit 62. , 82 to control the electric power of the heaters 3a, 3c, start the temperature increase from the time point t3, heat to the predetermined process temperature, and then the wafer at the time point t4 (specifically, after each zone is stabilized at the process temperature). A heat treatment is performed on W. As an example of this heat treatment, for example, the inside of the reaction vessel is maintained at about 800 ° C., and a predetermined film forming gas is supplied from the gas supply pipe 23 into the reaction vessel and evacuated from the exhaust pipe 25 to a predetermined degree of vacuum. A process for performing the film forming process on the wafer W can be exemplified. It should be noted that the switching from the first calculation units 61 and 81 to the second calculation units 62 and 82 may be during the temperature increase or when the process temperature is stabilized. When a predetermined film is formed on the surface of the wafer W at time t5, for example, the temperature is lowered to about 600.degree. Done.
[0034]
As described above, in the temperature control of the heaters 3 (3a, 3b, 3c) provided in a plurality of divisions according to the above-described embodiment, the control units 6, 8 responsible for the heating control of the upper and lower zones are as follows: Since the temperature detection value of the middle zone is used as the temperature target value and the temperature control is performed based on the temperature detection value of the own zone when the wafer W is loaded, the temperature of each zone is quickly stabilized at the temperature target value. . For example, in the vicinity of the lower sub-heater 3c, the temperature is lowered by the loading of the wafer boat 16, but the temperature in the vicinity of the middle main heater 3b, which is the temperature target value, is also reduced. And the increase in the amount of heat generated by the sub-heater 3c is moderated. The temperature in the vicinity of the sub heater 3c overshoots exceeding the original temperature target value, and this time, the amount of heat generated by the sub heater 3c tends to decrease (the temperature tends to decrease), but follows the temperature in the vicinity of the main heater 3b. Therefore, the temperature lowers more slowly than in the case where the temperature target value is constant as in the prior art, and as a result, the temperature fluctuation is suppressed and soft landing is quickly performed to the temperature target value. Further, since the temperature in the vicinity of the upper sub heater 3a also follows the temperature in the vicinity of the main heater 3b, the temperature is quickly stabilized at the target temperature value.
[0035]
Further, when the cooler wafer boat 16 and the wafer W are loaded into the reaction container, the second arithmetic units 62 of the control units 6 and 8 according to the degree to which the temperature of each zone is affected by the wafer boat 16 and the wafer W. , 82 incorporates the follow-up ratio for the control unit 7 in the middle zone. For example, in the above example, the upper zone is affected less than the middle zone, and the lower zone is affected more than the middle zone. The tracking ratio of the control unit 7 in the upper zone is set to 0.8, and the tracking ratio of the control unit 8 in the lower zone is set to 1.2. FIG. 6 shows a change in the temperature detection value of the external thermocouple 5b in the middle zone and each temperature detection value in the upper zone when the follow-up ratio is changed to 5%, 30%, and 100%. As can be seen from the figure, the change width of the temperature detection value of the external thermocouple 5a in the upper zone increases as the follow-up ratio increases, and decreases as the follow-up ratio decreases. Therefore, by adjusting the proportion of the temperature control of the sub heaters 3a and 3c with respect to the main heater 3b as in the above-described embodiment, the temperature control corresponding to the temperature distribution in the reaction container when the wafer boat 16 is loaded. Can be performed in each of the upper zone and the lower zone, and also from this point, the temperature of each zone is quickly stabilized at the temperature target value. As described in the section “Problems to be Solved by the Invention”, the temperature stabilization time of each zone after the wafer boat 16 is carried in greatly affects the throughput. Therefore, in this embodiment, the throughput can be improved. .
[0036]
FIG. 7 shows the vertical heat treatment apparatus shown in FIG. The result of having simulated the time-dependent change of the temperature of each heater 3a-3c vicinity when carrying in the wafer boat 16 from the state stabilized to (degreeC) is shown. It takes about 13 minutes from the start of loading of the wafer boat 16 until the temperature in the vicinity of the heaters 3a to 3c is stabilized, and it can be seen that the temperature of each zone is stabilized in a short time when the wafer W is loaded. .
[0037]
In the description of the first calculation units 61 and 81, a method of multiplying a predetermined coefficient k is described as a calculation method for performing error adjustment with the middle zone in each of the upper and lower zones. At the time of ascent, k may be changed according to the position of the wafer boat 16. In the present embodiment, when the wafer W is loaded, the detected temperature values of the internal thermocouples 4a to 4c corresponding to the respective control units 6, 7, and 8 are taken in. In the control units 6, 8, the internal thermocouples in the middle zone are captured. The temperature detection value of 4b is compared with the temperature detection values of the internal thermocouples 4a and 4c as temperature target values, and the temperature control of the sub-heaters 3a and 3c is performed according to the deviations. The main heater 3b may be controlled according to the deviation between the target value and the temperature detection value of the internal thermocouple 4b. Furthermore, in the present embodiment, only the lower sub-heater 3c may be subjected to follow-up control in which the temperature detection value corresponding to the middle zone is the temperature target value.
[0038]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, when a substrate is processed in a heat treatment atmosphere divided into a plurality of zones, the temperature for each zone can be quickly stabilized, and the throughput can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing an embodiment of a heat treatment apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a block diagram showing a control unit and related parts used in the present embodiment.
FIG. 3 is a block diagram showing an internal configuration of a first calculation unit provided in the control unit.
FIG. 4 is a block diagram showing an internal configuration of a second calculation unit provided in the control unit.
FIG. 5 is an operation explanatory diagram showing the relationship between a change in temperature with time and a calculation unit to be used in the present embodiment.
FIG. 6 is an operation explanatory diagram for explaining an operation in the first arithmetic unit;
FIG. 7 is a characteristic diagram showing a state of temperature change in each external thermocouple when a wafer boat is loaded.
FIG. 8 is a longitudinal sectional view showing the entire structure of a conventional heat treatment apparatus.
[Explanation of symbols]
W Semiconductor wafer
1 reaction tube
16 Wafer boat
20 (20a, 20b, 20c) Power supply unit
21 insulation
3 (3a, 3b, 3c) Heater
4 (4a, 4b, 4c) Internal thermocouple
5 (5a, 5b, 5c) External thermocouple
6, 7, 8 Control unit
61, 81 First arithmetic unit
62, 72, 82 Second arithmetic unit
63, 73, 83 Target value output section
812 Correction value output unit
813 Multiplier

Claims

熱処理雰囲気が複数のゾーンに分割された反応容器内に複数の基板を搬入し、前記反応容器内に処理ガスを導入して熱処理を行う熱処理装置において、
前記複数のゾーンを夫々加熱するための複数の加熱手段と、
各ゾーン毎に設けられた温度検出部と、
温度目標値と各温度検出部の温度検出値とに基づいて各加熱手段を独立して制御する制御部と、を備え、
一のゾーンに対応する制御部は、前記基板の搬入時には、他のゾーンに対応する温度検出部の温度検出値を温度目標値として演算を行い、その演算結果を加熱手段の制御信号として出力する第１の演算部を備えていることを特徴とする熱処理装置。In a heat treatment apparatus for carrying a heat treatment by carrying a plurality of substrates into a reaction vessel in which a heat treatment atmosphere is divided into a plurality of zones and introducing a treatment gas into the reaction vessel,
A plurality of heating means for respectively heating the plurality of zones;
A temperature detector provided for each zone;
A control unit that controls each heating means independently based on the temperature target value and the temperature detection value of each temperature detection unit, and
When the substrate is loaded, the control unit corresponding to one zone performs calculation using the temperature detection value of the temperature detection unit corresponding to the other zone as a temperature target value, and outputs the calculation result as a control signal for the heating unit. A heat treatment apparatus comprising a first arithmetic unit.

温度検出部は、加熱手段の温度を検出する第１の温度検出部を含み、前記他のゾーンに対応する温度検出部の温度検出値は第１の温度検出部の温度検出値であることを特徴とする請求項１記載の熱処理装置。 The temperature detection unit includes a first temperature detection unit that detects the temperature of the heating unit, and the temperature detection value of the temperature detection unit corresponding to the other zone is a temperature detection value of the first temperature detection unit. The heat treatment apparatus according to claim 1, characterized in that:

温度検出部は、反応容器内の温度を検出する第２の温度検出部を含み、前記他のゾーンに対応する温度検出部の温度検出値は第２の温度検出部の温度検出値であることを特徴とする請求項１記載の熱処理装置。 The temperature detection unit includes a second temperature detection unit that detects the temperature in the reaction vessel, and the temperature detection value of the temperature detection unit corresponding to the other zone is a temperature detection value of the second temperature detection unit. The heat treatment apparatus according to claim 1.

一のゾーンに対応する制御部は、
基板の搬入時には、他のゾーンに対応する温度検出部の温度検出値を温度目標値として演算を行い、その演算結果を加熱手段の制御信号として出力する第１の演算部と、
基板を熱処理するときには、当該一のゾーンに設定された専用の温度目標値と当該一のゾーンに対応する温度検出部の温度検出値とに基づいて演算を行い、その演算結果を加熱手段の制御信号として出力する第２の演算部と、を備えたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の熱処理装置。The control unit corresponding to one zone is
A first calculation unit that calculates a temperature detection value of a temperature detection unit corresponding to another zone as a temperature target value and outputs the calculation result as a control signal of the heating unit when the substrate is loaded;
When the substrate is heat-treated, the calculation is performed based on the dedicated temperature target value set in the one zone and the temperature detection value of the temperature detection unit corresponding to the one zone, and the calculation result is controlled by the heating means. A heat treatment apparatus according to any one of claims 1 to 3, further comprising: a second arithmetic unit that outputs the signal as a signal.

加熱手段の温度を検出する第１の温度検出部、及び反応容器内の温度を検出する第２の温度検出部が設けられ、
一のゾーンに対応する制御部は、
基板の搬入時には、他のゾーンに対応する第１の温度検出部または第２の温度検出部の温度検出値を温度目標値として演算を行い、その演算結果を加熱手段の制御信号として出力する第１の演算部と、
基板を熱処理するときには、当該一のゾーンに設定された専用の温度目標値と当該ゾーンに対応する第１の温度検出部及び第２の温度検出部の各温度検出値とに基づいて演算を行い、その演算結果を加熱手段の制御信号として出力する第２の演算部と、を備えたことを特徴とする請求項１記載の熱処理装置。A first temperature detector for detecting the temperature of the heating means, and a second temperature detector for detecting the temperature in the reaction vessel;
The control unit corresponding to one zone is
When the substrate is carried in, the temperature detection value of the first temperature detection unit or the second temperature detection unit corresponding to the other zone is calculated as the temperature target value, and the calculation result is output as a control signal for the heating means. 1 arithmetic unit;
When the substrate is heat-treated, the calculation is performed based on the dedicated temperature target value set in the one zone and the temperature detection values of the first temperature detection unit and the second temperature detection unit corresponding to the zone. The heat processing apparatus according to claim 1, further comprising: a second calculation unit that outputs the calculation result as a control signal for the heating means.

一のゾーンに対応する制御部の第１の演算部は、他のゾーンに対応する温度検出部の温度検出値に補正値を加算した値と当該一のゾーンに対応する温度検出部の温度検出値との偏差分に基づいて演算を行い、その演算結果を加熱手段の制御信号として出力することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の熱処理装置。The first calculation unit of the control unit corresponding to one zone includes a value obtained by adding the correction value to the temperature detection value of the temperature detection unit corresponding to the other zone and the temperature detection of the temperature detection unit corresponding to the one zone. It performs calculation based on the deviations between the value, the heat treatment apparatus according to any one of claims 1 and outputs the operation result as a control signal for the heating means 5.

補正値は、基板を熱処理するときに一のゾーンに設定された専用の温度目標値と他のゾーンに対応する温度目標値との差分であることを特徴とする請求項６記載の熱処理装置。 7. The heat treatment apparatus according to claim 6, wherein the correction value is a difference between a dedicated temperature target value set in one zone when the substrate is heat-treated and a temperature target value corresponding to another zone.

第１の演算部は、前記偏差分に所定の割合を掛けた値に基づいて演算を行うことを特徴とする請求項６または７記載の熱処理装置。 The heat treatment apparatus according to claim 6 or 7, wherein the first calculation unit performs a calculation based on a value obtained by multiplying the deviation by a predetermined ratio.

反応容器は縦型に構成されると共に基板は保持具に搭載されて反応容器の下方側から搬入され、
熱処理雰囲気は、上下方向に少なくとも３段に分割され、前記一のゾーンは最下段ゾーンであり、前記他のゾーンは、最上段以外のゾーンであることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか一項に記載の熱処理装置。The reaction vessel is configured in a vertical shape and the substrate is mounted on a holder and carried from the lower side of the reaction vessel,
The heat treatment atmosphere is divided into at least three stages in the vertical direction, the one zone is a lowermost zone, the other zone, one of the claims 1 to 8, characterized in that a zone other than the uppermost the heat treatment apparatus according to an item or.

熱処理雰囲気が複数のゾーンに分割された反応容器内に複数の基板を搬入し、前記複数のゾーンに夫々対応する複数の加熱手段により各ゾーンの加熱を行うと共に、前記反応容器内に処理ガスを導入して熱処理を行う熱処理方法において、
各ゾーンに対応する温度を検出する工程と、
温度目標値と各ゾーン毎の温度検出値とに基づき各加熱手段を制御する工程と、
前記基板の搬入時には、一のゾーンにおける温度目標値として他のゾーンに対応する温度検出値を用いて加熱手段を制御する工程と、を含むことを特徴とする熱処理方法。A plurality of substrates are carried into a reaction vessel in which a heat treatment atmosphere is divided into a plurality of zones, each zone is heated by a plurality of heating means corresponding to each of the plurality of zones, and a processing gas is introduced into the reaction vessel. In the heat treatment method of introducing and heat treating,
Detecting a temperature corresponding to each zone;
Controlling each heating means based on the temperature target value and the temperature detection value for each zone;
And a step of controlling the heating means by using a temperature detection value corresponding to another zone as a temperature target value in one zone at the time of carrying in the substrate.

一のゾーンにおける温度目標値は、他のゾーンに対応する温度検出値に補正値を加算した値とすることを特徴とする請求項１０記載の熱処理方法。 The heat treatment method according to claim 10, wherein the temperature target value in one zone is a value obtained by adding a correction value to a temperature detection value corresponding to another zone.

補正値は、基板を熱処理するときに一のゾーンに設定された専用の温度目標値と他のゾーンに対応する温度目標値との差分であることを特徴とする請求項１１記載の熱処理方法。 12. The heat treatment method according to claim 11, wherein the correction value is a difference between a dedicated temperature target value set in one zone when the substrate is heat-treated and a temperature target value corresponding to another zone.

前記基板の搬入時において前記一のゾーンに対応する加熱手段の制御工程は、温度検出値と、温度目標値または温度目標値に補正値を加算した値と、の偏差分に所定の割合を掛けた値に基づいて演算を行う工程を含むことを特徴とする請求項１０ないし１２のいずれか一項に記載の熱処理方法。The heating means control step corresponding to the one zone at the time of loading the substrate multiplies the deviation between the temperature detection value and the temperature target value or the value obtained by adding the correction value to the temperature target value by a predetermined ratio. the heat treatment method according to any one of claims 10 to 12, characterized in that it comprises a step of performing an arithmetic operation based on the value.