JP4357715B2 - 熱処理装置の温度校正方法 - Google Patents
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Description
【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)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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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