JP4357715B2 - 熱処理装置の温度校正方法 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱処理装置、熱処理装置の温度較正方法、および熱処理装置制御システムに関し、特に被処理体と非接触の状態で被処理体の温度を測定可能な熱処理装置、熱処理装置の温度較正方法、および熱処理装置制御システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造プロセスにおいて、半導体ウエハ（以下ウエハという）に対して熱処理を行う装置の一つにバッチ処理を行う縦型熱処理装置がある。この装置は、ウエハボート等の保持具に多数枚のウエハを棚状に保持し、この保持具を縦型の熱処理炉の中に搬入して熱処理、例えばＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ ＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、酸化処理等を行うものである。
【０００３】
ウエハを熱処理する場合ウエハの温度を正確にコントロールする必要がある。例えばＣＶＤによりウエハ上に薄膜を形成する場合、ウエハの温度によって膜厚が左右される。このため、熱処理装置の温度較正を高精度に行う必要がある。
【０００４】
従来は、熱電対を付けたウエハを温度較正すべき熱処理炉内に入れてウエハの温度を測定することにより温度較正を行っていた。
また熱電対に代えて、ウエハから放射される輻射光を捉えて、光電素子により電気信号に変換し、ウエハの温度を測定する放射型温度計を用いることも検討されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
熱電対付きウエハを温度較正すべき熱処理炉内に入れると、熱電対をなす金属が熱処理炉内に飛散して付着し、付着した金属が製品ウエハに付着してメタル汚染を引き起こすおそれがある。また放射型温度計を用いる場合には、ウエハ以外の部位からの輻射光も受光部に入るため、放射率の補正が難しいという問題がある。
【０００６】
本発明は、このような事情の下になされたものであり、その目的は被処理体を汚染するおそれがなく、しかも高い精度で温度制御を行うことができる熱処理装置、熱処理装置の温度較正方法、および熱処理装置制御システムを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
（１）上記の課題を解決するために本発明に係る熱処理装置は、処理室内に被処理体を配置して熱処理を行うための熱処理装置であって、前記被処理体を加熱するための加熱部と、前記被処理体とは非接触の状態で設置された温度測定部と、前記温度測定部の測定信号から前記被処理体の被処理体温度を推定する温度推定部と、前記温度推定部によって推定された被処理体温度を較正する温度較正部と、前記温度較正部によって較正された被処理体温度に基づいて、前記加熱部を制御する制御部とを具備することを特徴とする。
【０００８】
被処理体とは非接触の状態の温度測定部と温度測定部の測定信号から前記被処理体の被処理体温度を推定する温度推定部と温度推定部によって推定された被処理体温度を較正する温度較正部とを有することから、被処理体の温度を非接触でしかも高精度に測定できる。
【０００９】
ここで、温度較正部が、前記被処理体温度のオフセット値を表したオフセットテーブルと、前記温度推定部によって推定された被処理体温度と前記オフセットテーブルに表されたオフセット値とを加算または減算するオフセット加算部とを具備することができる。
オフセットテーブルを用いることで、被処理体温度を容易に較正できる。
【００１０】
（２）本発明に係る熱処理装置の温度較正方法は、被処理体を加熱する加熱部と、該被処理体と非接触の温度測定部と、該温度測定部の測定信号から該被処理体の被処理体温度を推定する温度推定部とを有する熱処理装置の被処理体温度を較正する方法であって、第１の熱処理装置内に配置された温度測定用被処理体を熱処理して被処理体温度を測定し、その測定結果に基づいて前記温度推定部を調整する温度推定部調整工程と、前記第１の熱処理装置内に配置された第１の熱処理用被処理体を所定の熱処理条件で熱処理する第１の熱処理工程と、該第１の熱処理用被処理体上に形成された膜の膜厚を測定する第１の膜厚測定工程とを含む第１の熱処理・膜厚測定工程と、温度較正を行うべき第２の熱処理装置内に配置された第２の熱処理用被処理体を前記所定の熱処理条件で熱処理する第２の熱処理工程と、該第２の熱処理用被処理体上に形成された膜の膜厚を測定する第２の膜厚測定工程とを含む第２の熱処理・膜厚測定工程と、前記第１の膜厚測定工程で測定された前記第１の熱処理用被処理体上の膜厚と前記第２の膜厚測定工程で測定された前記第２の熱処理用被処理体上の膜厚とを比較し、その比較結果に基づき、前記第２の熱処理装置の前記温度推定部によって推定された被処理体温度を較正するためのオフセット値を算出するオフセット値算出工程とを具備することを特徴とする。
【００１１】
第１の熱処理装置と第２の熱処理装置それぞれにおける被処理体の膜厚を比較することによって第２の熱処理装置のオフセット値を算出し温度較正を行っているので、第２の熱処理装置の被処理体に熱電対等の温度センサを設置することを要しない。このため、第２の熱処理装置において温度センサの接触による汚染のおそれが軽減される。しかも、オフセット値の変更だけで温度較正が行えるので、温度較正が容易である。
ここで、オフセット値の算出は、膜厚変化量と温度変化量との膜厚温度依存関係に基づいて行える。
【００１２】
また、前記所定の熱処理条件での熱処理が、一定の設定温度において前記熱処理用被処理体上に膜の形成を行う工程を含むことができる。このときには、一定温度で成膜が行われるので、膜厚と温度の関係を把握するのが容易である。その結果、熱処理装置の温度較正が容易に行える。
【００１３】
さらに、前記第１の熱処理工程が、複数の前記第１の熱処理用被処理体を熱処理する熱処理工程であり、前記第２の熱処理工程が、前記複数の第１の熱処理用被処理体に対応する位置に配置された複数の前記第２の熱処理用被処理体を熱処理する熱処理工程であることができる。
【００１４】
（３）本発明に係る熱処理装置制御システムは、処理室内に被処理体を配置して熱処理を行うための熱処理装置であって、該被処理体を加熱するための加熱部と、該被処理体とは非接触の状態で設置された温度測定部とを有する熱処理装置と、前記熱処理装置に接続された制御装置であって、かつ前記温度測定部の測定信号から前記被処理体の被処理体温度を推定する温度推定部と、該温度推定部によって推定された被処理体温度を較正する温度較正部と、該温度較正部によって較正された被処理体温度に基づいて前記加熱部を制御する制御部とを有する制御装置とを具備することを特徴とする。
【００１５】
熱処理装置が被処理体とは非接触の状態の温度測定部を具備し、制御装置が被処理体の被処理体温度を推定する温度推定部と温度推定部によって推定された被処理体温度を較正する温度較正部とを具備することから、被処理体の温度を非接触でしかも高精度で測定できる。
【００１６】
ここで、熱処理装置と制御装置は、脱着自在に、あるいはネットワークで接続することができる。接続が着脱自在であれば、熱処理装置を接続し直すことで、制御装置により複数の熱処理装置を制御することができる。また、ネットワークで接続されている場合は、制御装置を複数の熱処理装置に接続した状態にすることができ、接続し直す労力が軽減される。
【００１７】
さらに、熱処理装置制御システムが、膜厚測定装置を更に具備し、温度較正部が、該膜厚測定装置の測定結果に基づいて被処理体温度を較正することができる。このときは、制御装置が膜厚測定装置のデータをネットワーク等経由で取り込むことが可能となり、被処理体温度の較正を迅速かつ確実に行うことができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下に本発明の第１の実施形態に係る縦型熱処理装置について説明する。
図１、図２はそれぞれ、本発明に係る縦型熱処理装置の一部断面図および斜視図である。
本発明に係る縦型熱処理装置は、図１に示すように、例えば石英で作られた内管２ａ及び外管２ｂよりなる二重管構造の反応管２を備え、反応管２の下部側には金属製の筒状のマニホールド２１が設けられている。
内管２ａは上端が開口されており、マニホールド２１の内側で支持されている。外管２ｂは上端が塞がれており、下端がべ一スプレート２２の下側にてマニホールド２１の上端に気密に接合されている。
【００１９】
前記反応管２内には、図２に示すように、多数枚例えば１５０枚の被処理体をなす半導体ウエハＷ（製品ウエハ）が各々水平な状態で上下に間隔をおいて保持具であるウエハボート２３に棚状に載置されており、このウエハボート２３は蓋体２４の上に保温筒（断熱体）２５を介して保持されている。
【００２０】
前記ウエハボート２３には、被処理基板である製品ウエハＷをできるだけ均一な加熱雰囲気に置くために上端側と下端側とにサイドウエハと呼ばれる常時載置用のウエハが載置されると共に処理の状態をモニタ一するモニタウエハも散在して置かれる。このため、製品ウエハに加えてこれらウエハを見込んだ数の溝が設置され、例えば１５０枚の製品ウエハＷを搭載するものにあっては、１７０枚分の保持溝が形成されている。
【００２１】
前記蓋体２４は、ウエハボート２３を反応管２内に搬入、搬出するためのボートエレベータ２６の上に搭載されており、上限位置にあるときにはマニホールド２１の下端開口部、即ち反応管２とマニホールド２１とで構成される処理容器の下端開口部を閉塞する役割を持つものである。
【００２２】
反応管２の周囲には例えば抵抗加熱体よりなるヒータ３が設けられている。ヒータ３はゾーン１〜５に５分割されていて、各ヒータ３１〜３５が電力コントローラ４１〜４５により独立して発熱量を制御できるようになっている。この例では反応管２、マニホールド２１、ヒータ３により加熱炉が構成される。
【００２３】
内管２ａの内壁には、ヒータ３１〜３５の各ゾーン１〜５に対応して熱電対等の内側温度センサＳ１ｉｎ〜Ｓ５ｉｎが設置されている。また、外管２ｂの外壁にはヒータ３１〜３５の各ゾーン１〜５に対応して熱電対等の外側温度センサＳ１ｏｕｔ〜Ｓ５ｏｕｔが設置されている。図示していないが、この温度センサＳ１ｉｎ〜Ｓ５ｉｎ、Ｓ１ｏｕｔ〜Ｓ５ｏｕｔはそれぞれ内管２ａおよび外管２ｂの円周方向にそって複数配置されている。その結果、反応管２の軸方向および円周方向双方の温度分布が測定できる。
【００２４】
前述のモニタウエハは、ヒータ３１〜３５の各ゾーン１〜５にそれぞれ対応した位置にモニタウエハＷ１〜Ｗ５として載置されている。このモニタウエハＷ１〜Ｗ５は、通常は製品ウエハと同一のウエハ（半導体ウエハ）が用いられ、その温度がモニタされる。後述のように、モニタウエハＷ１〜Ｗ５の温度は、温度センサＳ１ｉｎ〜Ｓ５ｉｎ、Ｓ１ｏｕｔ〜Ｓ５ｏｕｔの測定信号から推定される。
【００２５】
マニホールド２１には、内管２ａ内にガスを供給するように複数のガス供給管が設けられており、図１では便宜上２本のガス供給管５１、５２を示してある。各ガス供給管５１、５２には、ガス流量をそれぞれ調整するための例えばマスフローコントローラなどの流量調整部６１、６２やバルブ（図示せず）などが介設されている。
【００２６】
更にまたマニホールド２１には、内管２ａと外管２ｂとの隙間から排気するように排気管２７が接続されており、この排気管２７は図示しない真空ポンプに接続されている。排気管２７の途中には反応管２内の圧力を調整するための例えばバタフライバルブやバルブ駆動部などを含む圧力調整部２８が設けられている。
【００２７】
この縦型熱処理装置は、反応管２内の処理雰囲気の温度、反応管２内の圧力、ガス流量といった処理パラメータを制御するためのコントローラ１００を備えている。このコントローラ１００には、温度センサＳ１ｉｎ〜Ｓ５ｉｎ、Ｓ１ｏｕｔ〜Ｓ５ｏｕｔからの測定信号が入力され、ヒータ３の電力コントロ一ラ４１〜４５、圧力調整部２８、流量調整部６１、６２に制御信号を出カする。
【００２８】
次にコントローラ１００の詳細について述べる。
図３は、コントローラ１００の内部構成のうち、ヒータ３の制御に係る部分の詳細を示すブロック図である。図３に示すようにコントローラ１００は、温度センサＳ１ｉｎ〜Ｓ５ｉｎ、Ｓ１ｏｕｔ〜Ｓ５ｏｕｔからの測定信号に基づいて推定したモニタウエハＷ１〜Ｗ５の推定温度Ｔ１´〜Ｔ５´を出力する温度推定部１１０、温度推定部によって推定された推定温度Ｔ１´〜Ｔ５´を較正して較正されたモニタウエハＷ１〜Ｗ５の較正温度Ｔ１〜Ｔ５を出力する温度較正部１２０、温度較正部によって較正された較正温度Ｔ１〜Ｔ５に基づき電力コントロ一ラ４１〜４５に制御信号を出力するヒータ制御部１３０、較正温度Ｔ１〜Ｔ５等を記録する記録部１４０から構成される。
【００２９】
記録部１４０は、較正温度Ｔ１〜Ｔ５を測定時刻と共に記録し、熱処理装置の動作状態を表したログとして保管することができる。
温度較正部１２０は、モニタウエハＷ１〜Ｗ５の推定温度Ｔ１´〜Ｔ５´を較正するためのオフセット値ＯＦ１〜ＯＦ５が表されたオフセットテーブル１２２が接続されたオフセット加算部１２４から構成される。
【００３０】
図４は、コントローラ１００によるヒータ３の制御手順を表すフロー図である。以下、このフロー図に基づき温度制御の手順を説明する。
（Ａ）熱処理のプロセスが開始されると（Ｓ２０１）、温度センサＳｉｎ（Ｓ１ｉｎ〜Ｓ５ｉｎ）、Ｓｏｕｔ（Ｓ１ｏｕｔ〜Ｓ５ｏｕｔ）の測定信号が温度推定部１１０によって読みとられる（Ｓ２０２）。
【００３１】
（Ｂ）温度推定部１１０は、温度センサＳｉｎ、Ｓｏｕｔの測定信号からモニタウエハＷ１〜Ｗ５それぞれの推定温度Ｔ１´〜Ｔ５´を算出する（Ｓ２０３）。
この推定には制御工学において知られている以下の式（１）、（２）を用いることができる。
ｘ（ｔ＋１）＝Ａ・ｘ（ｔ）＋Ｂ・ｕ（ｔ） …… 式（１）
ｙ（ｔ）＝Ｃ・ｘ（ｔ）＋ｕ（ｔ） …… 式（２）
ここで、ｔ：時間
ｘ（ｔ）：ｎ次元状態ベクトル
ｙ（ｔ）：ｍ次元出力ベクトル
ｕ（ｔ）：ｒ次元入力ベクトル
Ａ，Ｂ，Ｃ：それぞれｎ×ｎ、ｎ×ｒ、ｍ×ｎの定数行列
である。
【００３２】
式（１）が状態方程式、式（２）が出力方程式と呼ばれ、式（１）、（２）を連立して解くことにより、入力ベクトルｕ（ｔ）に対応する出力ベクトルｙ（ｔ）を求めることができる。
本実施形態においては入力ベクトルｕ（ｔ）は温度センサＳ１ｉｎ〜Ｓ５ｉｎ、Ｓ１ｏｕｔ〜Ｓ５ｏｕｔの測定信号であり、出力ベクトルｙ（ｔ）は推定温度Ｔ１´〜Ｔ５´である。
【００３３】
式（１）、（２）において、温度センサＳｉｎ、Ｓｏｕｔの測定信号と推定温度Ｔ１´〜Ｔ５´は、多入出力の関係にある。即ち、ヒータ３のゾーン１〜５それぞれはモニタウエハＷ１〜Ｗ５のそれぞれに対して独立に影響を与えているわけではなく、一つのゾーンのヒータはどのモニタウエハにも何らかの影響を与えている。
【００３４】
状態方程式等は雑音を考慮した式（３）、（４）
ｘ（ｔ＋１）＝Ａ・ｘ（ｔ）＋Ｂ・ｕ（ｔ）＋Ｋ・ｅ（ｔ）……式（３）
ｙ（ｔ）＝Ｃ・ｘ（ｔ）＋Ｄ・ｕ（ｔ）＋ｅ（ｔ） ……式（４）
を用いることもできる。
ここで、ｔ：時間
ｘ（ｔ）：ｎ次元状態ベクトル
ｙ（ｔ）：ｍ次元出力ベクトル
ｕ（ｔ）：ｒ次元入力ベクトル
ｅ（ｔ）：ｍ次元雑音ベクトル
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ、Ｋ：それぞれｎ×ｎ、ｎ×ｒ、ｍ×ｎ、ｍ×ｍ、ｎ×ｍの定数行列
である。
【００３５】
定数行列Ａ，Ｂ，Ｃ、Ｄの組合せが定まれば、式（１）、（２）または式（３）、（４）を連立して解くことにより、温度センサＳ１ｉｎ〜Ｓ５ｉｎ、Ｓ１ｏｕｔ〜Ｓ５ｏｕｔの測定信号から推定温度Ｔ１〜Ｔ５を算出できる。なお、定数行列Ａ，Ｂ，Ｃ、Ｄを求める方法については後述する。
【００３６】
（Ｃ）温度較正部１２０は、モニタウエハＷｉ（Ｗ１〜Ｗ５）の較正温度Ｔｉを算出する（Ｓ２０４）。
モニタウエハＷｉの較正温度Ｔｉの算出は、例えばつぎの式（５）によって行える。
Ｔｉ＝Ｔｉ´＋ＯＦｉ …… 式（５）
ここで、ｉ：モニタウエハの番号を表す添え字（ｉ＝１〜５）
Ｔｉ´：モニタウエハＷｉの推定温度
ＯＦｉ：モニタウエハＷｉの温度オフセット値
である。
なお、温度オフセット値ＯＦｉはオフセットテーブル１２２上に表されている。
【００３７】
（Ｄ）ヒータ制御部１３０は、較正温度Ｔｉを基にヒータ３１〜３５のあるべき出力値ｈ１〜ｈ５を導出し、電力コントローラ４１〜４５に制御信号として出力し（Ｓ２０５）、ヒータ３１〜３５それぞれの出力が制御される。
（Ｅ）熱処理プロセスが終了していなければ、ステップＳ２０２に戻って半導体ウエハＷの温度制御が続行される（Ｓ２０６、Ｓ２０７）。
【００３８】
なお、このステップＳ２０２からＳ２０６は多くの場合、１秒〜４秒程度の周期で繰り返される。
【００３９】
（第２実施形態）
次に本発明の第２の実施形態につき説明する。
図５は、本発明の第２の実施形態に係る熱処理装置の温度較正方法を表したフロー図である。
【００４０】
以下、図５に基づき本実施形態に係る熱処理装置の温度較正方法について説明する。なお、本実施形態に利用する熱処理装置は、第１の実施形態で説明した熱処理装置を用いることができる。
【００４１】
（Ａ）第１の熱処理装置内に配置された温度測定用被処理体を所定の熱処理条件で熱処理して被処理体温度を測定し、その測定結果に基づいて第１の熱処理装置の温度推定部１１０−１を調整する（Ｓ３０１）。
具体的には、温度測定用被処理体として熱電対を設置したモニタウエハＷ１〜Ｗ５を第１の熱処理装置に搬入し熱処理を行う。この熱処理の際に、モニタウエハＷ１〜Ｗ５の実測温度Ｔ１ｍ〜Ｔ５ｍおよび、温度センサＳ１ｉｎ〜Ｓ５ｉｎ、Ｓ１ｏｕｔ〜Ｓ５ｏｕｔの測定信号の時間的変動を同時に測定する。
【００４２】
第１の熱処理装置の温度推定部１１０−１の調整は、先に述べた式（３）、（４）の定数行列Ａ，Ｂ，Ｃ、Ｄを決定することによって行える。定数行列Ａ，Ｂ，Ｃ、Ｄは熱処理装置の熱特性によって定まり、決定の具体的な手法として、例えば部分空間法を適用することができる。
【００４３】
具体的には、温度センサＳ１ｉｎ〜Ｓ５ｉｎ、Ｓ１ｏｕｔ〜Ｓ５ｏｕｔの測定信号及びモニタウエハＷ１〜Ｗ５の実測温度Ｔ１ｍ〜Ｔ５ｍのデータを例えばソフトウェアＭａｔｌａｂ（製造：Ｔｈｅ ＭａｔｈＷｏｒｋｓ． Ｉｎｃ．、販売：サイバネットシステム株式会社）に入力することで、定数行列Ａ，Ｂ，Ｃを逆算できる。
【００４４】
求められた定数行列Ａ，Ｂ，Ｃ、Ｄの組合せは、複数存在するのが通例である。この組合せから、（３）、（４）を連立して算出された推定温度Ｔ１´〜Ｔ５´と実測温度Ｔ１ｍ〜Ｔ５ｍが一致するものを選択する（モデルの評価）。
このときのオフセット値ＯＦｉは全て０とする。
【００４５】
このようにして、第１の熱処理装置において温度推定部１１０が調整された結果、モニタウエハＷｉそれぞれの推定温度Ｔｉ´と実測温度Ｔｉｍが一致するようになる。
【００４６】
（Ｂ）続いて第１の熱処理装置内に配置された第１の熱処理用被処理体（プロセスウエハＷ１−１〜Ｗ５−１）を所定の熱処理条件（標準プロセスレシピ）で熱処理して、該第１の熱処理用被処理体上に形成された膜の膜厚を測定する（Ｓ３０２）。
【００４７】
ここでいうプロセスウエハとは、ウエハ自体としては製品ウエハと同一のウエハをいうものとし、その載置する位置はモニタウエハＷ１〜Ｗ５と同一の位置とする。即ち、プロセスウエハＷ１−１〜Ｗ５−１は、それぞれモニタウエハＷ１〜Ｗ５に対応するものであり、モニタウエハＷ１〜Ｗ５の一種ともいえる。
【００４８】
プロセスウエハＷ１−１〜Ｗ５−１は、製品ウエハと同一なので、膜の形成に関して製品ウエハＷと変わるところがない。そして、プロセスウエハＷ１−１〜Ｗ５−１をモニタウエハＷ１〜Ｗ５と対応する位置に載置するのは、その位置のウエハ（モニタウエハＷ１〜Ｗ５）で温度の実測および推定が行われる関係による。
【００４９】
後のプロセスウエハＷ１−２〜Ｗ５−２等も、以上の説明と同様に製品ウエハＷと同一のウエハを用い、モニタウエハＷ１〜Ｗ５と対応する位置に載置するものとする。
【００５０】
図６は熱処理用被処理体（プロセスウエハＷ１−１〜Ｗ５−１）に対する熱処理条件の１例を表したものであり、温度と時間の関係を表したグラフである。
【００５１】
安定温度Ｔ０においてウエハＷが熱処理装置内に搬入（ローディング）される。時刻ｔ０〜ｔ１において熱処理用被処理体は設定温度Ｔｓｐまで昇温され（昇温工程）、その後に時刻ｔ２まで放置され被処理体温度の安定化が図られる（安定化工程）。時刻ｔ２〜ｔ３において、ガス供給管５１、５２より例えばＳｉＨ２Ｃｌ２およびＮＨ３ガスを導入し、設定温度ＴｓｐにおいてプロセスウエハＷ１−１〜Ｗ５−１上にＳｉＮ膜等の膜を形成する（成膜工程）。その後、時刻ｔ３にガスの導入を停止し時刻ｔ４までプロセスウエハＷ１−１〜Ｗ５−１のアニールを行う（アニール工程）。その後、降温して（降温工程）プロセスウエハＷ１−１〜Ｗ５−１を取り出す。
【００５２】
成膜を行ったプロセスウエハＷ１−１〜Ｗ５−１については、例えばエリプソメータ等の膜厚測定装置により膜の膜厚を測定する。
【００５３】
以上の（Ａ）〜（Ｂ）までの工程は例えば縦型熱処理装置のメーカ側で行われる。そして縦型熱処理装置のユーザ側では、標準プロセスレシピ、および後述の膜厚変化量と温度変化量の関係例えば膜厚温度係数等の情報をメーカ側から受け取って以下のようにして温度較正を行う。
【００５４】
ここで、ステップＳ３０２の所定の熱処理条件としては、プロセスウエハＷ１−１〜Ｗ５−１上に形成される膜の膜厚が略同一であることが好ましい。次に述べる第２の熱処理装置の温度較正を行うことで、第２の熱処理装置をこの所定の熱処理条件で制御することで多数のウエハに略同一の膜厚の膜を形成することが可能となるからである。即ち、この所定の熱処理条件は、ユーザ側の熱処理条件として多数のウエハの一括処理にそのまま使用可能である。
【００５５】
また、成膜中の温度（設定温度）が略一定であるのが好ましい。成膜された膜厚と温度との関係が明確だからである。
【００５６】
（Ｃ）温度較正を行うべき第２の熱処理装置内に第２の熱処理用被処理体（プロセスウエハＷ１−２〜Ｗ５−２）を配置し、所定の熱処理条件で熱処理して、該第２の熱処理用被処理体上に形成された膜の膜厚を測定する（Ｓ３０３）。
このときの熱処理条件としてはステップＳ３０２の熱処理条件と同一の条件（標準プロセスレシピ）とする。ここで、同一の熱処理条件とは、少なくとも成膜工程中の設定温度、ガスの種類、ガス圧等の条件が同一であることをいう。成膜が第１、第２の熱処理装置において同一の条件で行われることから、第１の熱処理装置の成膜結果に基づく第２の熱処理装置の温度較正を容易に行える。
【００５７】
ステップＳ３０２で形成された膜の膜厚が例えば１０ｎｍ以下と特に薄い場合には、第２の熱処理装置の熱処理条件が成膜工程以外の工程（昇温工程、温度安定工程、アニール工程等）もステップＳ３０２と同一の熱処理条件であることが特に好ましい。これは、本来の成膜工程以外の工程も成膜された膜の膜厚に影響を与える可能性があるからである。例えば、微妙な残留ガスのために本来の成膜工程以外の工程で極めて薄い膜を形成することがあり得る。
【００５８】
第２の熱処理装置は第１の熱処理装置と同種の熱処理装置とする（例えば、同一の型式）。これは、第１の熱処理装置で調整した温度推定部１１０−１と同一の温度推定部１１０−２をそのまま使用できることを保証するためである（式（１）、（２）または式（３）、（４）の定数行列Ａ，Ｂ，Ｃ、Ｄを第１の装置と同一にできる）。
【００５９】
成膜を行ったプロセスウエハＷ１−２〜Ｗ５−２については、例えばエリプソメータ等の膜厚測定装置により膜の膜厚を測定する。
【００６０】
（Ｄ）ステップＳ３０２およびＳ３０３で測定された膜厚を比較し誤差範囲内であるか否かを判定する（Ｓ３０４）。
この判定はプロセスウエハＷ１−２〜Ｗ５−２ごとに行われる。即ち、プロセスウエハＷｉ−１とＷｉ−２の膜厚の相違が誤差範囲（例えば、膜厚の目標値に対して０．１％以下）であれば、オフセット値ＯＦｉは０となる。そして、全てのプロセスウエハＷ１−２〜Ｗ５−２で判定がＹｅｓであれば全てのオフセット値ＯＦｉは０であり、第２の熱処理装置の温度較正は終了する（Ｓ３０８）。
【００６１】
（Ｅ）Ｓ３０４の判定がＮｏのときには、プロセスウエハＷｉ−２とＷｉ−１の膜厚の相違に基づいて第２の熱処理装置の温度オフセット値ＯＦｉを算出する（Ｓ３０５）。
プロセスウエハＷ１−２とＷ１−１の膜厚に相違があるということは、第２の熱処理装置と第１の熱処理装置それぞれのプロセスウエハＷｉ−２とＷｉ−１上の温度が微妙に相違していることを意味する。
【００６２】
第２の熱処理装置と第１の熱処理装置はいずれも同一の設定温度Ｔｓｐで熱処理を行っている。そして、第２の熱処理装置においてプロセスウエハＷｉの推定温度Ｔｉ´がこの設定温度Ｔｓｐに一致するようにコントローラ１００によって制御される。従って、プロセスウエハＷ１−２とＷ１−１の膜厚の相違は、第２の熱処理装置と第１の熱処理装置においてプロセスウエハＷｉの推定温度Ｔｉ´に微妙な相違があることを意味する。
【００６３】
第１の熱処理装置ではプロセスウエハＷｉ−１の被処理体温度は実測によって較正済みであるから、第２の熱処理装置の熱特性に第１の熱処理装置のそれと微妙な相違がある結果（装置の個性）、第２の熱処理装置でのプロセスウエハＷｉ−２の推定温度Ｔｉ´に誤差があることになる。
【００６４】
この誤差をオフセット値ＯＦｉによって較正する。
オフセット値ＯＦｉの算出には膜厚の変化量と温度の変化量の関係、例えば、膜厚温度係数を用いることができる。以下に、膜厚温度係数について説明する。
【００６５】
膜厚の成長速度（成膜速度）Ｖは、例えばＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）のような膜の表面で行われる過程によって成膜速度が定まる表面律速過程においては、下記（６）式の理論式で表わされることが知られている。
Ｖ＝Ｃ・ｅｘｐ（−Ｅａ／（ｋＴ）） …… 式（６）
ここで、Ｃ：プロセス定数（成膜プロセスによって定まる定数）
Ｅａ：活性化エネルギー（成膜プロセスの種類によって定まる定数）
ｋ：ボルツマン定数
Ｔ：絶対温度
である。
【００６６】
式（６）を温度Ｔに対して偏微分すると式（７）が得られる。
｛∂Ｖ／∂Ｔ｝／Ｖ＝（Ｅａ／（ｋ・Ｔ＾２）） ［１／℃］……式（７）
ここで、｛∂Ｖ／∂Ｔ｝／Ｖが膜厚温度係数であり、温度の変化によって成膜速度が変化する割合を表している。
【００６７】
活性化エネルギーは成膜プロセスの種類、例えば、反応ガスＳｉＨ２Ｃｌ２およびＮＨ３からのＳｉＮ膜の形成のような反応過程によって定まり、この例では１．８［ｅＶ］をとることが知られている。従って、このような反応過程に温度を代入すれば、膜厚温度係数の値が求まる。
【００６８】
以上のように、式（７）に活性化エネルギーＥａと絶対温度Ｔを代入すると膜厚温度係数｛∂Ｖ／∂Ｔ｝／Ｖが定まる。
【００６９】
第１、第２の熱処理装置によって熱処理されたプロセスウエハＷｉ−１、Ｗｉ−２の膜厚をそれぞれｄ１，ｄ２とし、このときの真の被処理体温度をＴ１、Ｔ２とする。
【００７０】
このときの膜厚温度係数｛∂Ｖ／∂Ｔ｝／Ｖは、次の式（８）によって表される。
｛∂Ｖ／∂Ｔ｝／Ｖ＝（ｄ２−ｄ１）／［ｄ１・（Ｔ２−Ｔ１）］…式（８）
【００７１】
式（７）と式（８）を等しいとし、式（７）の絶対温度Ｔを被処理体温度Ｔ１と置くと、以下の式（９）が導ける。
Ｔ２＝Ｔ１＋［（ｄ２−ｄ１）／ｄ１］・［ｋ・Ｔ１＾２／Ｅａ］…式（９）
【００７２】
Ｅａ、ｋ、Ｔ１、ｄ２，ｄ１は、判っているので、Ｔ２をＴｉ２に置き換えることで、第２の熱処理装置におけるプロセスウエハＷｉ−２それぞれの真の被処理体温度Ｔｉ２を求めることができる。
【００７３】
そして、オフセット値ＯＦｉは、第２の熱処理装置における真の被処理体温度Ｔｉ２と推定温度Ｔｉ２´を基に、次の式（１０）を用いて求めることができる。
ＯＦｉ＝Ｔｉ２−Ｔｉ２´ …… 式（１０）
【００７４】
以上は、表面律速過程の場合を例にして述べた。
成膜において膜中における物質の移動過程が関与する場合には（例えば熱酸化膜）、成膜速度は式（６）とは異なり膜厚に依存する可能性が生じる。
【００７５】
この場合にも膜厚と時間の理論的関係が判っていれば、表面律速過程の場合とほぼ同様に膜厚温度係数を算出することが可能である。例えば、熱酸化膜の膜厚は、ＤｅａｌとＧｒｏｖｅによる理論式が知られている（参照：Andrew S. Grove ”Physics and Technology of Semiconductor Devices” 1967）。
【００７６】
膜厚Ｘ０の理論式が、次の式（１１）で表されると仮定する。
Ｘ０＝ｆ（Ｔ，ｔ） ……式（１１）
ここで、ｆ：膜厚の理論式
Ｔ：絶対温度
ｔ：時間
である。
【００７７】
すると膜厚温度係数｛∂Ｖ／∂Ｔ｝／Ｖは次の式（１２）で表すことができる。
｛∂Ｖ／∂Ｔ｝／Ｖ＝｛∂２ｆ（Ｔ，ｔ）／（∂Ｔ∂ｔ）｝／ｆ（Ｔ，ｔ）
……式（１２）
【００７８】
この後は式（８）と式（１２）を等しいとおくことで、表面律速過程の場合と同様にオフセット値ＯＦｉを求めることができる。
【００７９】
以上、成膜速度または膜厚の理論式（６）、（１１）に基づきオフセット値ＯＦｉを求める方法について述べた。
【００８０】
なお、このような理論式を用いず、第１の熱処理装置で設定温度Ｔｓｐを変化させてプロセスウエハＷｉ上に膜を形成することで、膜厚温度係数を算出しこれをもとに第２の熱処理装置でのオフセット値ＯＦｉを求めても差し支えない。
【００８１】
このときの具体的な膜厚温度係数の算出は、以下のように行うことができる。
▲１▼ 所定の設定温度Ｔ１でウエハＷ上に成膜し、ウエハＷ上の膜厚ｄ１を測定する。
このとき、図６に示すような熱処理工程を用いることができる。
【００８２】
この熱処理に際しては、成膜工程中におけるウエハＷの温度の安定化、面内温度の均一性確保のため、安定化時間（ｔ２−ｔ１）を長くとるのが好ましい。また、本来の成膜工程以外での成膜の可能性（例えば、残留ガス等による）を排除すると共に、膜厚測定精度に対して充分厚い膜厚の膜を成膜することが好ましい。
【００８３】
▲２▼ ▲１▼とは異なる設定温度Ｔ２でウエハＷ上に成膜し、ウエハＷ上の膜厚ｄ２を測定する。
このとき設定温度Ｔ２とＴ１は例えば５℃程度異なる値を用いる。この設定温度の差Ｔ２−Ｔ１が小さすぎると膜厚差ｄ２−ｄ１が小さくなり、膜厚の測定誤差が問題となる。また、温度差Ｔ２−Ｔ１が大きすぎれば膜厚温度係数の温度依存性が問題となる。このため設定温度の差Ｔ２−Ｔ１は常に同一（例えば、５℃）とは限らず、場合によって適宜調整を行う必要がある。
ここで、▲２▼の熱処理においては、成膜時の設定温度以外の熱処理条件を▲１▼の場合と同一にすることが、正確な膜厚温度係数の算出のために好ましい。
【００８４】
▲３▼ 膜厚温度係数｛∂Ｖ／∂Ｔ｝／Ｖを以下の式（１３）に基づいて算出する。
｛∂Ｖ／∂Ｔ｝／Ｖ＝（ｄ２−ｄ１）／［ｄ１・（Ｔ２−Ｔ１）］…式（１３）
以上の様にして膜厚温度係数を実験的に求めることができる。
【００８５】
（Ｆ）第２の熱処理装置内に第３の熱処理用被処理体（プロセスウエハＷ１−３〜Ｗ５−３）を配置して、所定の熱処理条件（標準プロセスレシピ）で熱処理を行い、第３の熱処理用被処理体上に形成された膜の膜厚を測定する（Ｓ３０６）。
【００８６】
熱処理の条件はＳ３０２のステップと同一とする。この熱処理の際には、オフセット値算出工程によって算出されたオフセット値ＯＦｉに基づいて熱処理装置の制御を行う。
成膜を行ったプロセスウエハＷｉ−３（Ｗ１−３〜Ｗ５−３）については、例えばエリプソメータ等の膜厚測定装置により膜の膜厚を測定する。
【００８７】
（Ｇ）ステップＳ３０２およびＳ３０６で測定された膜厚を比較し、誤差範囲内で一致するか否かを判定する（Ｓ３０７）。
【００８８】
この判定はプロセスウエハＷ１−３〜Ｗ５−３ごとに行われる。即ち、プロセスウエハＷｉ−１とＷｉ−３の膜厚の相違が誤差範囲であれば、ステップＳ３０５で求めたオフセット値ＯＦｉは正しい値であることが判る。
【００８９】
全てのプロセスウエハＷ１−３〜Ｗ５−３で判定がＹｅｓであれば全てのオフセット値ＯＦｉは正しい値であり、第２の熱処理装置の温度較正は終了する（Ｓ３０８）。
【００９０】
（Ｈ）Ｓ３０７の判定がＮｏのときには、ステップＳ３０５に戻って、オフセット値ＯＦｉの算出が行われる。
このとき、ステップＳ３０６による膜厚測定結果を利用することができる。これを以下に示す。
【００９１】
プロセスウエハＷｉ−３、Ｗｉ−２、およびＷｉ−１上それぞれの膜厚をｄ３，ｄ２、ｄ１とし、このときの真の熱処理温度をそれぞれＴ３、Ｔ２、Ｔ１とする。
【００９２】
するとプロセスウエハＷｉ−３とＷｉ−１の膜厚を基に膜厚温度係数｛∂Ｖ／∂Ｔ｝／Ｖを以下の式（１４）から求めることができる。
｛∂Ｖ／∂Ｔ｝／Ｖ＝（ｄ３−ｄ１）／［ｄ１・（Ｔ３−Ｔ１）］…式（１４）
【００９３】
この式（１４）と式（８）を連立させて以下の式（１５）を導出できる。
（Ｔ３−Ｔ１）／（Ｔ２−Ｔ１）＝（ｄ３−ｄ１）／（ｄ２−ｄ１）……式（１５）
【００９４】
ここで、真の被処理体温度Ｔ３、Ｔ２は以下のようにプロセスウエハＷｉ−３とＷｉ−２それぞれの推定温度Ｔ３´、Ｔ２´とオフセット値ＯＦｉと次の関係によって結ばれている。
Ｔ３＝Ｔ３´＋ＯＦｉ …… 式（１６）
Ｔ２＝Ｔ２´＋ＯＦｉ …… 式（１７）
【００９５】
式（１５）に式（１６）、（１７）を代入すると未知数はＯＦｉのみであるから、オフセット値ＯＦｉを求められることが判る。
このようにしてステップＳ３０２、Ｓ３０３、Ｓ３０６による膜厚測定結果を利用することで、理論式（６）、（１１）もしくは事前の実験を要することなくオフセット値ＯＦｉを算出できる。
【００９６】
（Ｉ）このようにして、第１の熱処理装置で形成された膜の膜厚と第２の熱処理装置で形成された膜の膜厚が誤差範囲内で一致するまでオフセット値ＯＦｉの算出が行われることになる。
【００９７】
上記実施の形態によれぱ、第ｌの熱処理装置においてウエハの温度を実測することで温度推定部を調整する。そして、温度推定部が調整された第ｌの熱処理装置において所定の熱処理条件でプロセスウエハの熱処理を行い、プロセスウエハに形成された膜の膜厚を測定する。さらに、温度較正を行おうとする第２の装置において、同一の熱処理条件でプロセスウエハの熱処理を行い、プロセスウエハに形成された膜の膜厚を測定し、その膜厚を基にオフセット値を算出することで第２の熱処理装置の温度較正を行っている。
【００９８】
このため、温度較正の対象となる第２の熱処理装置内のウエハには熱電対等を設置しなくて済み、第２の熱処理装置内の汚染（熱電対等を原因とする金属汚染等）を回避できる。その結果、熱処理するウエハの汚染の可能性が軽減される。
【００９９】
（第３実施形態）
次に本発明の第３の実施形態につき説明する。
図７は、本発明の第３の実施形態に係る熱処理装置制御システムを表すブロック図である。
【０１００】
図７に示されるように制御装置３００、熱処理装置４００Ａ、４００Ｂ、膜厚測定装置５００がネットワーク６００を介して接続されている。
制御装置３００の内部構成は図３のコントローラ１００と同様であり、熱処理装置４００Ａ，４００Ｂの内部構成は図１に示す熱処理装置からコントローラ１００を除外したものが含まれる。即ち、制御装置３００は、温度推定部１１０、温度較正部１２０，ヒータ制御部１３０，記録部１４０を備える。
【０１０１】
熱処理装置４００Ａ、４００Ｂは、反応管２、ヒータ３１〜３５，電力コントローラ４１〜４５等を備えている。その結果、本実施形態では第１の実施形態と同様に、被処理体の温度を非接触でしかも高精度で測定できる。
その上、本実施形態では、ネットワーク６００を介し制御装置３００が複数の熱処理装置４００Ａ、４００Ｂをそれぞれ制御することができる。
【０１０２】
また、膜厚測定装置５００がネットワーク６００に接続されているため、膜厚測定装置５００の測定結果を制御装置３００に効率よく伝送できる。このため、図５に示したのと同様の工程による熱処理装置２００Ａ、２００Ｂの較正を迅速かつ確実に行うことができる。
【０１０３】
ここで、制御装置３００を、ネットワーク６００を介さず、熱処理装置４００Ａに直接接続できる。この接続が着脱自在であれば、制御装置３００と熱処理装置４００Ａ、４００Ｂの接続相手を変えることが容易にできる。この結果、制御装置３００による複数の熱処理装置２００Ａ，２００Ｂの制御が容易に行える。
【０１０４】
（その他の実施形態）
以上の発明の実施形態は、本発明の技術的思想の範囲内で、拡張、変更が可能である。
例えば、被処理体は半導体ウエハには限られず、例えばガラス基板であってもよい。
【０１０５】
熱処理装置は、縦型熱処理炉、あるいはバッチ炉に限らず、１枚ずつ熱処理を行う枚葉式の熱処理装置であってもよい。
【０１０６】
また熱処理の目的は拡散、アニール、熱酸化膜の形成、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）による成膜（例えば、ＳｉＮ等の成膜）のいずれであっても差し支えない。即ち、温度較正を行った後は熱処理装置を必ずしも成膜に使用しなくても差し支えない。
【０１０７】
ヒータは、区分されていなくても良いし、また区分の数も５には限られない。
温度測定用被処理体は熱電対が設置されたものに限ることなく、温度測定用被処理体の温度測定には放射温度計などを用いてもよい。
【０１０８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、被処理体を汚染するおそれがなく、しかも高い精度で温度の測定および制御を行える熱処理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る縦型熱処理装置を表す一部断面図である。
【図２】本発明に係る縦型熱処理装置を表す斜視図である。
【図３】本発明に係る熱処理装置のコントローラの詳細を表すブロック図である。
【図４】本発明に係る熱処理装置のコントローラによる制御手順を表すフロー図である。
【図５】本発明に係る熱処理装置の温度較正方法の手順を表すフロー図である。
【図６】本発明に係る熱処理装置の温度較正方法で用いる熱処理条件の１例を表す温度特性図である。
【図７】本発明に係る熱処理装置制御システムを表すブロック図である。
【符号の説明】
２ 反応管
２ａ 内管
２ｂ 外管
２１ マニホールド
２２ フェ一スプレート
２３ ウエハボート
２４ 蓋体
２６ ボートエレベータ
２７ 排気管
２８ 圧力調整部
３１〜３５ ヒータ
４１〜４５ 電力コントローラ
５１、５２ ガス供給管
６１、６２ 流量調整部
１００ コントローラ
１１０ 温度推定部
１２０ 温度較正部
１２２ オフセットテーブル
１２４ オフセット加算部
１３０ ヒータ制御部
３００ 制御装置
４００Ａ、４００Ｂ 熱処理装置
５００ 膜厚測定装置
６００ ネットワーク

Claims (6)

  1. 被処理体を加熱する加熱部と，該被処理体と非接触の温度測定部と，該温度測定部の測定信号から該被処理体の被処理体温度を推定する温度推定部とを有する熱処理装置の被処理体温度を較正する方法であって，
    第１の熱処理装置内に配置された温度測定用被処理体を熱処理して被処理体温度を測定し，その測定結果に基づいて前記温度推定部を調整する温度推定部調整工程と，
    前記第１の熱処理装置内に配置された第１の熱処理用被処理体を所定の熱処理条件で熱処理する第１の熱処理工程と，該第１の熱処理用被処理体上に形成された膜の膜厚を測定する第１の膜厚測定工程とを含む第１の熱処理・膜厚測定工程と，
    温度較正を行うべき第２の熱処理装置内に配置された第２の熱処理用被処理体を前記所定の熱処理条件で熱処理する第２の熱処理工程と，該第２の熱処理用被処理体上に形成された膜の膜厚を測定する第２の膜厚測定工程とを含む第２の熱処理・膜厚測定工程と，
    前記第１の膜厚測定工程で測定された前記第１の熱処理用被処理体上の膜厚と前記第２の膜厚測定工程で測定された前記第２の熱処理用被処理体上の膜厚とを比較し，その比較結果に基づき，前記第２の熱処理装置の前記温度推定部によって推定された被処理体温度を較正するためのオフセット値を算出するオフセット値算出工程と，
    前記第２の熱処理装置内に第３の熱処理用被処理体を配置して，前記オフセット値算出工程によって算出されたオフセット値に基づいて前記所定の熱処理条件で熱処理する第３の熱処理工程と，該第３の熱処理用被処理体上に形成された膜の膜厚を測定する第３の膜厚測定工程とを含む第３の熱処理・膜厚測定工程と，を具備し，
    前記第３の膜厚測定工程で測定された前記第３の熱処理用被処理体上の膜厚が，前記第１の膜厚測定工程で測定された前記第１の熱処理用被処理体上の膜厚と略等しくなるまで，前記オフセット値算出工程および前記第３の熱処理・膜厚測定工程を繰り返す
    ことを特徴とする熱処理装置の温度較正方法。
  2. 前記オフセット値算出工程が，膜厚変化量と温度変化量との膜厚温度依存関係に基づいて前記オフセット値を算出する
    ことを特徴とする請求項１記載の熱処理装置の温度較正方法。
  3. 前記第２の膜厚測定工程で測定された前記第２の熱処理用被処理体上の膜厚および前記第３の膜厚測定工程で測定された前記第３の熱処理用被処理体上の膜厚に基づいて，前記膜厚温度依存関係を求める膜厚温度依存関係算出工程
    をさらに具備すること特徴とする請求項２記載の熱処理装置の温度較正方法。
  4. 前記第１の熱処理工程が，複数の前記第１の熱処理用被処理体を熱処理する熱処理工程であり，
    前記第２の熱処理工程が，前記複数の第１の熱処理用被処理体に対応する位置に配置された複数の前記第２の熱処理用被処理体を熱処理する熱処理工程である
    ことを特徴とする請求項１記載の熱処理装置の温度較正方法。
  5. 前記温度推定部調整工程が，複数の前記温度測定用被処理体を用いて前記温度推定部を調整する工程であり，
    前記所定の熱処理条件で行われる前記第１の熱処理工程が，複数の前記第１の熱処理用被処理体上に略同一の膜厚の膜を形成する熱処理工程であり，
    前記第２の熱処理工程が，複数の前記第２の熱処理用被処理体を熱処理する熱処理工程であり
    前記オフセット値算出工程が，前記第２の熱処理装置で前記所定の熱処理条件に基づいて複数の熱処理用被処理体を熱処理したときに該複数の熱処理用被処理体上に形成される膜の膜厚が，前記第１の膜厚測定工程で測定された前記第１の熱処理用被処理体上の膜の膜厚と略同一となる前記オフセット値を算出する工程である
    ことを特徴とする請求項１記載の熱処理装置の温度較正方法。
  6. 前記温度推定部調整工程において，前記温度測定用被処理体に熱電対が設置されている
    ことを特徴とする請求項１記載の熱処理装置の温度校正方法。
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