JPWO2005010970A1 - 基板処理装置及び基板処理方法 - Google Patents
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Abstract
Description
例えば、特許文献1は、反応室内の基板が複数のヒータから受ける熱干渉と、設定温度に対する基板温度の誤差とに基づいて、ヒータの出力を制御することを開示する。
しかしながら、処理される基板のサイズが大きい場合などに、反応室内で検出される温度変化と基板の温度変化との間に大きな違いが生じることがある。
[図2]図1に示したボートを収容した状態の反応炉およびその周辺を例示する図である。
[図3]装置操作部の構成を示す図である。
[図4]温度コントローラの構成を示す図である。
[図5]半導体処理装置による処理のシーケンスにおいて、反応炉の温度変化に対応する工程を例示するフローチャート(S10)である。
[図6]反応炉の温度変化の概略を図5に示したS10に対応させて示すグラフである。
[図7]反応炉のランプアップ時における内部熱電対の温度および基板の温度の変化例を示す図である。
[図8]温度モニタ基板の温度検出位置を示す図である。
[図9]ボート内の基板配置例を示す模式図である。
[図10]図7に示した内部熱電対などの温度変化例に対し、外部熱電対の示す外部熱電対温度Hの変化例を追加して示したグラフである。
[図11]4つの温度調節ゾーンにおいて、内部熱電対に対する設定温度Sを、1ゾーンずつ5°Cの昇温(ステップアップ)をさせた場合に、上部温度モニタ、下部温度モニタおよび中央温度モニタの基板エッジ温度Wが変化した例を示す図表である。
[図12]図11に示した基板エッジ温度Wについて、反応炉内の温度の安定時を基準とした変化量を示す図表である。
[図13]上部温度モニタ、下部温度モニタおよび中央温度モニタそれぞれの図12に示した「変化量の合計」に対する4つの温度調節ゾーンそれぞれによる「変化量」の比(変化量÷変化量の合計)を示す図表である。
[図14]上部温度モニタに対する基板エッジ予測温度W’top(t)の調整に必要な温度データの例を示すグラフである。
[図15]温度予測パラメータ「K1,T1,K2,T2,b,C」を決定する手順を示すフローチャート(S20)である。
[図16]上部温度モニタ、下部温度モニタおよび中央温度モニタそれぞれについて、ステップアップに対する基板エッジ温度Wの変化量を示す図表である。
[図17]図16に示したステップアップに対する基板エッジ温度Wの変化量に対し、ステップアップに対する仮想上部モニタ基板の基板エッジ温度Wの変化量を追加して示す図表である。
[図18]装置操作部の表示・入力部がパラメータを受入れる場合に表示するパラメータ設定画面を示す図である。
[図19]装置操作部の表示・入力部において、基板予測制御の準備をする段階に表示される温度制御設定画面の例を示す図である。
[図20]装置操作部の表示・入力部において、基板予測制御を実行する段階に表示される温度制御設定画面の例を示す図である。
[図21]基板予測制御の準備をするモードにおいて、内部熱電対の温度の応答が設定温度の温度変化に近づくようにヒータの出力をPID演算などによって制御した場合の基板エッジ温度と基板中心温度の応答を例示するグラフである。
[図22]基板温度予測制御を実行するモードにおいて、基板温度予測制御の対象を基板エッジ温度とし、設定温度の変化に対する基板エッジ温度および基板中心温度の応答を例示するグラフである。
[図23]基板温度予測制御の対象を基板エッジ温度と基板中心温度との平均温度として基板温度予測制御を実行するモードにおいて、設定温度の変化に対する基板エッジ温度および基板中心温度の応答を示すグラフである。
本発明の理解を助けるために、実施形態の説明に先立って、まず、本発明がなされるに至った背景を説明する。
図1は、本発明が適応される半導体処理装置1の全体構成を示す図である。
図2は、図1に示したボート108を収容した状態の反応炉(処理室)3およびその周辺を例示する図である。
ゾーンヒータ340−1〜340−4は、例えば、1つの連続したヒータ34の巻線から、複数のタップを引き出すことにより、あるいは、それぞれ独立した巻線を有する4個のヒータを設けることにより実現される。
このように、反応炉3には、ゾーンヒータ340−1〜340−4により、それぞれ温度の設定および調節が可能な4つの温度調節ゾーン(U,CU,CL,L)が形成されている。
ヒータ34のゾーンヒータ340−1〜340−4それぞれは、温度コントローラ4を介して装置操作部2に接続され、装置操作部2の制御に基づいて反応炉3内を加熱する。外部熱電対342−1〜342−4は、ゾーンヒータ340−1〜340−4それぞれの近傍の温度をサンプリングして検出する。
反応室300の温度調節ゾーン(U,CU,CL,L)それぞれに対応する位置に内部熱電対302−1〜302−4を配設する。
内部熱電対302−1〜302−4は、温度調節ゾーン(U,CU,CL,L)それぞれにおいて、基板近傍の温度をサンプリングして検出する。
アウターチューブ32とインナーチューブ30とは、ヒータ34と同心に設けられ、これらの間には、閉塞された筒状空間が形成されている。
ボート108は、反応炉3内において、基板が処理される際に、基板の周方向に回転するように設置されている。
また、内部熱電対302−1〜302−4および外部熱電対342−1〜342−4は、それぞれ基板が処理される際にも温度を検出することができる。
また、以下の説明においては、4つの温度調節ゾーン(U,CU,CL,L)は、それぞれUゾーン(U)、CUゾーン(CU)、CLゾーン(CL)およびLゾーン(L)と略記することがある。
図3は、装置操作部2の構成を示す図である。
図3に示すように、装置操作部2は、操作制御部20、表示・入力部22、記録出力部24、記憶部26、および、通信部28から構成される。
表示・入力部22は、例えばタッチパネルからなり、周期変更部220を含んで作業者からの半導体処理装置1に対する設定、設定温度(目標値)および指示などを受入れると共に、半導体処理装置1の動作情報等を表示する。
周期変更部220は、例えば作業者から出力周期を変更する指示を受入れると、温度コントローラ4が内部熱電対302および外部熱電対342などから受入れた温度データを、記録出力部24および記憶部26などに操作制御部20を介して出力する周期を変更する。
例えば、周期変更部220は、操作制御部20が温度コントローラ4を介してヒータ34を制御する周期に対し、略同一の周期で温度コントローラ4が内部熱電対302および外部熱電対342などから受入れた温度データが記録出力部24および記憶部26などから出力されるようにする。
記録出力部24は、内部熱電対302および外部熱電対342などの検出結果を、周期変更部220によって設定された周期に従って、例えばグラフ用紙に記録し、出力する。
記憶部26は、例えばHDD、CDなどからなり、半導体処理装置1が行う処理シーケンス情報(レシピ)並びに通信部28および記録媒体260を介して受入れた情報を記憶する。
レシピは、作業者により装置操作部2を介して設定され、記憶部26に記憶される。
このように、装置操作部2は、これらの構成部分により、半導体処理装置1の各構成部分を制御して基板に対する処理を行わせる。
図4は、温度コントローラ4の構成を示す図である。
図4に示すように、温度コントローラ4は、CPU40およびメモリ42などを含み、内部熱電対302−1〜302−4および外部熱電対342−1〜342−4それぞれから温度データを受け入れ、ゾーンヒータ340−1〜340−4それぞれの電力値を受入れ、作業者が設定した設定温度S(目標値)および後述するパラメータなどの制御信号を装置操作部2から受け入れて、後述する電力値(操作量Z)をゾーンヒータ340−1〜340−4に対して出力し、ゾーンヒータ340−1〜340−4が発生させる熱量を変化させる。
また、温度コントローラ4は、内部熱電対302および外部熱電対342から受入れた温度データ、並びに、ゾーンヒータ340−1〜340−4それぞれから受入れた電力値を装置操作部2に対して出力する。
半導体処理装置1は、例えば、縦型CVD装置であって、これらの構成部分により、装置操作部2(図1)からの操作にしたがって制御され、反応炉3内のボート108に所定の間隔で載置された基板に対し、CVDにより、Si3N4膜、SiO2膜、ポリシリコン(Poly−Si)膜の形成(成膜処理)およびアニール処理などを行う。
まず、カセット移載機100は、複数枚の基板を収納したカセットをカセットストッカ102に移載して保管し、さらにカセットから基板を取り出すための移載棚104に移載する。
次に、基板移載機106は、移載棚104に載置されたカセットから基板を取り出し、基板をボート108に載置する。
ボート108は、所定の枚数の基板を載置されると、昇降機110によって反応室300に挿入される。
そして、反応炉3は、シールキャップ324によって密閉される。
この加熱の際には、温度コントローラ4は、外部熱電対342−1〜342−4および内部熱電対302−1〜302−4それぞれが検出する温度と、装置操作部2から受入れた制御信号とに基づいて、ゾーンヒータ340−1〜340−4に対する電力値を制御する。
そして、処理用ガスは、反応室300内に位置するボート108に載置された基板に向けて上昇し、基板の処理が行われる。
処理後の処理用ガスは、ガス排気口322から排出される。
基板が所定温度まで冷却されると、基板移載機106は、ボート108から基板を取り出し、移載棚104のカセットに収納する。
処理後の基板を収納されたカセットは、カセット移載機100によって搬出されて完了する。
次に、半導体処理装置1の処理における反応炉3内の温度変化について説明する。
図5は、上述した半導体処理装置1による処理のシーケンスにおいて、反応炉3の温度変化に対応する工程を例示するフローチャート(S10)である。
図6は、反応炉3の温度変化の概略を図5に示したS10に対応させて示すグラフである。
図5に示すように、ステップ100(S100)において、ヒータ34は、ボート108が反応炉3内に挿入される以前に、反応炉3の温度を処理の際に設定される温度よりも低い温度Tsに維持するように加熱する。
反応炉3内の温度は、ボート108が挿入されることによりTsよりも一旦低下(図6参照)した後に、ヒータ34によってTsに戻される。
反応炉3内の温度は、ボート108が反応炉3から引き出されることにより、Tsよりも低下する。
図7は、反応炉3のランプアップ時における内部熱電対302の温度および基板の温度の変化例を示す図である。
図7に示すように、反応炉3(図2)において、例えば直径が300mmの基板の温度を上昇させる場合、作業者が装置操作部2を介してヒータ34に設定した設定温度Sの変化に対し、内部熱電対302が検出する内部熱電対温度P、および、基板の中心の温度(基板中心温度C)並びに基板のエッジ(外周)の温度(基板エッジ温度W)は異なる温度変化をする。
なお、以下の説明においては、基板中心温度Cおよび基板エッジ温度Wなど、基板における異なった位置で検出された温度のいずれかを特定せずに示す場合には、単に、基板温度と略記することがある。
図8に示すように、温度モニタ基板400には、例えば該温度モニタ基板400上の中心に中心熱電対402、内周に4つの内周熱電対404−1〜404−4および外周に外周熱電対406−1〜406−4の9つの熱電対が設けられており、それぞれの熱電対は検出した温度を例えば温度コントローラ4に対して出力する。
つまり、温度モニタ基板400は、ボート108に載置されることにより、反応炉3内において基板が処理される際の基板の温度を、処理前に同じ位置で検出することができるようにされている。
また、基板が実際に処理される際には、該基板はボート108に載置された状態で回転するので、例えば基板の外周の温度(基板エッジ温度W)は、外周熱電対406−1〜406−4それぞれから検出された温度の平均値とされている。
図9に示すように、反応炉3内で製品用の基板5が処理される際には、ボート108の最上部付近および最下部付近に、それぞれ上部ダミー基板50および下部ダミー基板52が配置されている。
上部ダミー基板50および下部ダミー基板52は、例えば成膜処理を行う際に、ボート108の最上部付近および最下部付近では、基板が製品になるように成膜をさせることが困難であるために設けられ、処理の種類および装置の種類によって配置される枚数が変更される。
さらに、上部モニタ基板54と下部モニタ基板56との間に配置された複数の基板5の中央付近には、中央モニタ基板58が配置されている。
上部モニタ基板54、下部モニタ基板56および中央モニタ基板58は、基板5を処理する際に、例えばそれぞれ一枚ずつ配置され、基板5の成膜結果を確認する指標にされる。
例えば、中央モニタ基板58の位置において、基板中心温度Cおよび基板エッジ温度Wは、図7に示したように変化する。
また、上部温度モニタ、下部温度モニタおよび中央温度モニタのいずれかを特定せずに示す場合には、単に、温度モニタと略記することがある。
一方、基板エッジ温度Wは、ランプアップの開始直後から設定温度Sよりも高温の状態で昇温し、設定温度Sが800°Cまで昇温すると、ゆっくり降温して約800°Cで安定している。
また、基板中心温度Cは、内部熱電対温度Pよりもさらに遅れて昇温し、内部熱電対温度Pよりも高温になった後に約800°Cで安定している。
例えば、基板5(図9)の直径が300mmの場合、ボート108に載置する基板枚数が少ない少量バッチ式の反応炉3(図2)などにおいては、基板間の間隔が大きくなり、基板5よりも熱量を受けにくい内部熱電対302が設定温度Sに近づくようにPID制御などによって制御されると、基板エッジ温度Wおよび基板中心温度Cは、設定温度Sに対する行き過ぎ量(オーバーシュート)が大きく、安定するまでの時間が長くなることがある。
以下、本発明の実施形態を説明する。
以下の実施形態においては、製品用の基板が処理される前に、上部モニタ基板54、下部モニタ基板56および中央モニタ基板58それぞれの位置に温度モニタ基板400を配置し、基板中心温度Cおよび基板エッジ温度Wを検出する半導体処理装置1が具体例として示されている。
半導体処理装置1は、基板温度を予測し、予測された基板温度が設定温度に近づくようにヒータ34の出力を制御して基板温度の予測制御を行う。
また、半導体処理装置1は、上述したように基板温度予測制御に必要な温度データを取得する温度コントローラ4、並びに、基板温度予測制御に必要なパラメータの入力、および基板温度予測制御の実行指示を受入れる装置操作部2を有する。
以下、基板温度の予測および予測された基板温度に基づく基板温度予測制御、並びに基板温度予測制御に必要な温度データの取得、基板温度予測制御に必要なパラメータの入力および基板温度予測制御の実行について例を示して説明する。
図10は、図7に示した内部熱電対302などの温度変化例に対し、外部熱電対342の示す外部熱電対温度Hの変化例を加えて示したグラフである。
外部熱電対342は、熱源となるゾーンヒータ340に最も近い位置で反応炉3内の温度を検出するので、ゾーンヒータ340に設定した設定温度Sの変化に対する外部熱電対温度Hの応答が基板エッジ温度Wの応答よりも速くなっている。
また、内部熱電対302は基板よりも熱量を受けにくいので、設定温度Sの変化に対する内部熱電対温度Pの応答が基板エッジ温度Wの応答よりも遅くなっている。
このように、ゾーンヒータ340の温度変化に対し、外部熱電対温度Hが最も速く応答し、外部熱電対温度Hの次に基板エッジ温度W、内部熱電対温度P、基板中心温度Cの順に応答する。
ランプアップ開始からt回目の制御周期における外部熱電対温度Hの値をH(t)とし、t−1回目の制御周期における外部熱電対温度Hの値をH(t−1)とする。
また、ランプアップ開始からt回目の制御周期における内部熱電対温度Pの値をP(t)とし、t−1回目の制御周期における内部熱電対温度Pの値をP(t−1)とする。
つまり、基板エッジ温度Wは、外部熱電対温度Hに対して遅れて変化するとみなすことができる。
よって、基板エッジ温度Wを1つの系の温度とすると、基板エッジ温度W(t)は、外部熱電対温度H(t)を一次遅れ演算することによって表され、さらに、基板エッジ温度Wの時定数T1により、基板エッジ温度W(t−1)と外部熱電対温度H(t−1)との混合比を調節して、下式1に示すようにおくことができる。
つまり、内部熱電対温度Pは、外部熱電対温度Hに対して遅れて変化するとみなすことができる。
よって、内部熱電対温度Pを1つの系の温度とすると、内部熱電対温度P(t)は、外部熱電対温度H(t)を一次遅れ演算することによって表され、さらに、内部熱電対温度Pの時定数T2により、内部熱電対温度P(t−1)と外部熱電対温度H(t−1)との混合比を調節して、下式2に示すようにおくことができる。
また、式4に示し、内部熱電対温度Pから予測した基板エッジ温度W(t)を内部予測温度PW(t)とする。
式4においては、設定温度Sの変化に対し、基板エッジ温度Wの応答よりも遅れて変化する内部熱電対温度Pにより、基板エッジ温度Wを予測することとなる。
なお、温度予測パラメータ「K1,T1,K2,T2,b,C」は、基板温度の予測制御を行う半導体処理装置1ごとに個別に設定することが必要である。
例えば、ボート108に配置される温度モニタ基板400の枚数と、ゾーンヒータ340の数とが一致していて、温度調節ゾーンごとに外部熱電対342、内部熱電対302の測定位置(高さ方向)および数と温度モニタ基板400の配置(載置)位置(高さ方向)および数がそれぞれ一致している場合には、式1〜式6にそれぞれ対応する値を代入することにより基板エッジ予測温度W’(t)を算出することができる。
仮想温度検出手段とは、通常、内部熱電対302および外部熱電対342の測定ポイントは限られる数となっており、必ずしも測定予測したい基板の位置(高さ方向、基板の主面に対し鉛直方向)の近傍の位置(高さ方向、基板の主面に対し鉛直方向)となるわけではないため、内部熱電対302または外部熱電対342と、各基板と温度調節ゾーンの干渉関係を用いて、測定予測したい基板の位置(高さ方向、基板の主面に対し鉛直方向)に対応する内部熱電対302または外部熱電対342の最も近傍で最適な位置(高さ方向、基板の主面に対し鉛直方向)を仮想し、求められた検出手段のことである。
なお、ここでは、内部熱電対302または外部熱電対342で説明したが、予測したい基板と温度調節ゾーンとの干渉関係が算出可能であれば適用できる。
図11に示すように、4つの温度調節ゾーンそれぞれの設定温度Sを、1つずつ5°Cの昇温をさせると、上部温度モニタ、下部温度モニタおよび中央温度モニタの基板エッジ温度Wは、それぞれ異なる温度変化を示す。
まず、上部温度モニタの温度変化について説明する。
反応炉3内の温度が安定している状態(図11に示す安定時)において、上部温度モニタの基板エッジ温度Wは、852.4°Cとなっている。
まず、Uゾーンのみの設定温度Sを5°C昇温させると、上部温度モニタの基板エッジ温度Wは855.6°Cとなり、安定時を基準とした「変化量」(図12)は3.2°Cとなっている。
同様に、CUゾーン、CLゾーンおよびLゾーンについて、それぞれ順次1つずつ設定温度Sを5°C昇温させた場合、上部温度モニタの基板エッジ温度Wはそれぞれ854.0°C,852.1°C,852.3°Cとなり、安定時を基準としたそれぞれの「変化量」は1.6°C,−0.3°C,−0.1°Cとなっている。
また、4つの温度調節ゾーン全ての設定温度を5°C昇温(ゾーンヒータ340−1〜340−4をそれぞれ5°C昇温)させた場合、基板エッジ温度Wは、各温度調節ゾーンの温度変化の和となる「変化量の合計」(図12)の変化を示し、4.4°Cの昇温をする。
下部温度モニタおよび中央温度モニタについても同様に、下部温度モニタおよび中央温度モニタの安定時の基板エッジ温度W(図11)、4つの温度調節ゾーンに対して順次1つずつ設定温度Sを5°C昇温させた場合の基板エッジ温度W、および安定時を基準としたそれぞれの基板エッジ温度Wの「変化量」(図12)が示されている。
つまり、図13は、ゾーンヒータ340−1〜340−4において内部熱電対302−1〜302−4に対する設定温度Sが変化した場合、ゾーンヒータ340−1〜340−4それぞれが、上部温度モニタ、下部温度モニタおよび中央温度モニタそれぞれの基板エッジ温度Wの温度変化に対して干渉する割合(干渉比率)を示している。
上部温度モニタ、下部温度モニタおよび中央温度モニタそれぞれに対応する内部熱電対温度Pは、干渉比率により算出され、基板エッジ予測温度W’(t)の予測に使用される。
なお、内部熱電対温度Pは、例えば図10に示したように、ランプアップ後に数分で設定温度Sと略同じ温度となる。
例えば、上部温度モニタの基板エッジ予測温度W’top(t)の予測に用いられる外部熱電対温度Htop(t)は、図13に示した干渉比率に基づいて、下式8に示すように表される。
以上のように、4つの温度調節ゾーンそれぞれの内部熱電対温度Pおよび外部熱電対温度Hから、上部温度モニタ、下部温度モニタおよび中央温度モニタそれぞれに対応する内部熱電対温度Pおよび外部熱電対温度Hを算出することにより、それぞれ内部予測温度PW(t)および外部予測温度HW(t)を求めることができる。
また、4つの温度調節ゾーンそれぞれに対応するモニタ基板4枚がある場合においても、それぞれのモニタ基板400の配置されている位置における内部熱電対302および外部熱電対342の最も近傍の位置を干渉具合を求めることにより算出できることになる。
つまり、各温度調節ゾーンにおける各基板に対応した内部熱電対302および外部熱電対342の最適な位置である仮想温度検出手段を干渉関係により導き出せ、この求めた内部熱電対302および外部熱電対342により、基板予測温度を求めることができる。
図14は、上部温度モニタに対する基板エッジ予測温度W’top(t)の調整に必要な温度データの例を示すグラフである。
図14には、上部温度モニタに対し、上述したように算出された内部熱電対温度Ptop(t)および外部熱電対温度Htop(t)と、外部熱電対温度Htop(t)から式1によって算出された外部予測温度HWtop(t)と、内部熱電対温度Ptop(t)から式4によって算出された内部予測温度PWtop(t)と、内部熱電対温度Ptop(t)から式6によって算出された重みatop(t)と、これらの値から式5によって算出された基板エッジ予測温度W’top(t)と、上部温度モニタによって検出された基板エッジ温度Wtopとがグラフによって示されている。
よって、温度予測パラメータ「K1,T1,K2,T2,b,C」を決定する場合には、図14に例示したグラフのように、上部温度モニタ、下部温度モニタおよび中央温度モニタそれぞれに対する基板エッジ予測温度W’(t)などを示すグラフを用いることが好ましい。
なお、図14と対比させるために、上部温度モニタのパラメータを決定する手順を例として説明する。
図15に示すように、ステップ200(S200)において、図14に示されたランプアップ開始時(図14の1〜2分の間)の基板エッジ温度Wtopに対する外部予測温度HWtop(t)の比から、作業者は式1のゲインK1の値を決定する。
好ましくは、基板エッジ温度Wtopに対し、外部予測温度HWtop(t)が略等しくなるようにゲインK1の値を決める。
この場合、S200で決定したゲインK1の値を初期値としてゲインK2の値を調整する。
重みatop(t)の変化が振動的な場合には、フィルタ時定数bを例えば10,20,30,40のように順次変化させ、重みatop(t)の変化が振動的でなくなった場合にフィルタ時定数bの値が決定される。
なお、基板の温度が早く設定温度で安定するように制御するために、ランプアップ中(図14の1〜5分の間)よりも、ランプアップ終了後(図14の5分以降)におけるそれぞれの温度変化を重視してパラメータの調整を行うことが好ましい。
つまり、外部予測温度HWtop(t)よりも内部予測温度PWtop(t)に重みをおくことにより、基板エッジ予測温度W’top(t)の応答と、基板エッジ温度Wtopの応答との差を小さくしてもよい。
また、下部モニタ基板56および中央モニタ基板58に対しても同様に、S20によってそれぞれ温度予測パラメータ「K1,T1,K2,T2,b,C」を決定することができる。
温度コントローラ4は、上述したように基板温度を予測し、基板温度が設定温度に近づくように、装置操作部2の制御に基づいてヒータ34の出力を制御する。
半導体処理装置1においては、上部温度モニタ、下部温度モニタおよび中央温度モニタの3つの温度モニタ基板400に対し、4つのゾーンヒータ340−1〜340−4が設けられているので、温度コントローラ4は、3つの温度モニタ基板400から受入れる温度データにより、4つのゾーンヒータ340の出力を制御している。
4つの操作量は、例えばゾーンヒータ340−1〜340−4が上部温度モニタ、下部温度モニタおよび中央温度モニタに対して熱干渉する比率(干渉比率)によって算出される場合と、後述する干渉行列の逆行列演算結果によって算出される場合とがある。
4つの操作量を干渉比率によって算出する場合には、それぞれの温度モニタ基板400に対する予測温度と、それぞれの温度モニタ基板400の設定温度に対する偏差とをそれぞれの温度調節ゾーン(U,CU,CL,L)に干渉比率に合わせて割り振る。
ここで、基板エッジ予測温度W’top(t)における各温度調節ゾーン(U,CU,CL,L)への偏差の割り振り量は、式9−1〜式9−4のように表される。
そして、温度コントローラ4は、温度調節ゾーンごとに割り振られた偏差の合計を用いてPID演算などにより、ゾーンヒータ340−1〜340−4それぞれに対する操作量を算出し、温度調節ゾーンごとに割り振られた偏差の合計が零(0)になるようにゾーンヒータ340−1〜340−4の出力を制御する。
操作量を干渉行列の逆行列演算結果によって算出するために、まず、干渉行列を求める。
上部温度モニタ、下部温度モニタおよび中央温度モニタそれぞれにおいて、内部熱電対温度Pの変化に対する基板エッジ温度Wの変化量は、反応炉3内の温度の安定時を基準として図12に示した値と同じになっているとする。
つまり、図12に示された各温度調節ゾーンの変化量の値をそれぞれ偏差(5°C)で割ることにより、ステップアップに対する基板エッジ温度Wの変化量が算出される。
つまり、図16は、上部温度モニタ、下部温度モニタおよび中央温度モニタそれぞれについて、ステップアップに対する基板エッジ温度Wの変化量を示す図表である。
図16に示された値を行列とすると、正方行列になっていないので、逆行列演算をするために、図17に示すように上部温度モニタの上方に、仮想上部モニタ基板を仮想的に設ける。
つまり、図17は、図16に示したステップアップに対する基板エッジ温度Wの変化量に対し、ステップアップに対する仮想上部モニタ基板の基板エッジ温度Wの変化量を追加して示す図表である。
なお、仮想的に設けた仮想上部モニタ基板は、簡略化して表現するために、例えばUゾーンが1°C変化すると、仮想上部モニタ基板の変化量が1°C変化し、その他の温度調節ゾーンによっては仮想上部モニタ基板の温度は変化しないこととしている。
また、温度調節ゾーンの数が温度モニタ基板400の数よりも2つ以上多い場合には、仮想的に設ける仮想モニタ基板の数をさらに増やして、温度調節ゾーンの数と温度モニタ基板400の数とを揃えて正方行列を構成できるようにしてもよい。
内部熱電対温度Pの変化量を算出するための逆行列演算は、干渉行列Mを用いて表すと、[MT×M]−1×MTとなる。(T:転置行列)
式10に示した干渉行列Mの逆行列演算結果は、式11に示されている。
式11に示した逆行列演算結果に対し、各温度モニタ基板400の偏差をそれぞれ乗じた結果が式12に示されている。
そして、温度コントローラ4は、内部熱電対302−1〜302−4それぞれの内部熱電対温度Pが変化すべき変化量が零(0)になるように、例えばPID演算などにより、ゾーンヒータ340−1〜340−4それぞれに対する操作量を算出し、ゾーンヒータ340−1〜340−4の出力を制御する。
なお、基板温度の予測制御について、基板エッジ温度Wが設定温度Sに近づくように制御する例について説明したが、これに限ることなく、基板中心温度Cなどを設定温度Sに近づくように制御する場合においても同様に制御することができる。
温度コントローラ4は、ゾーンヒータ340−1〜340−4の出力を周期的に制御するので、上部モニタ基板54、下部モニタ基板56および中央モニタ基板58の温度が設定温度Sに従って変化するように制御することができる。
温度モニタ基板400の予測温度は、上述したように、外部熱電対温度Hと内部熱電対温度Pとを用いて一次遅れ演算することにより算出されている。
温度予測パラメータ「K1,T1,K2,T2,b,C」は、基板の温度制御を行う半導体製造装置ごとに、基板の処理を行う以前に調整をしておく必要がある。
これらの温度予測パラメータの調整において、特に、時定数T1,T2を調整する場合には、温度制御を処理時に行う際の周期(制御周期)と同じ周期で取得された外部熱電対温度Hと、内部熱電対温度Pとが必要になっている。
例えば、温度コントローラ4(図2)が内部熱電対302−1〜302−4および外部熱電対342−1〜342−4を介して温度データを受入れてから、ゾーンヒータ340−1〜340−4それぞれに対する操作量を算出し、ゾーンヒータ340−1〜340−4に対して電力値を出力する周期(制御周期)は0.5秒になっている。
一方、装置操作部2において、操作制御部20が通信部28を介し、温度コントローラ4から温度データなどを受信し、表示・入力部22または記録出力部24に出力する周期は4秒になっている。
これは、装置操作部2および温度コントローラ4が通信処理に費やす時間を少なくし、装置操作部2のCPU200は主にレシピを使用する処理を行い、温度コントローラ4のCPU40は主に基板を温度制御する処理を行うことができるようにしてあるためである。
つまり、作業者は、0.5秒周期の温度データを記録出力部24などから出力させることにより、図14に示したようなグラフを得ることが可能となる。
基板温度予測制御には、温度予測パラメータ「K1,T1,K2,T2,b,C」、および干渉比率または干渉行列Mの逆行列演算結果などのパラメータを、作業者が装置操作部2を介して設定する必要がある。
例えば内部熱電対温度Pの設定温度Sに対しPID制御を行う際のパラメータなどと同様に、装置操作部2は、基板温度予測制御に必要なパラメータを受入れることが好ましい。
また、基板の温度予測制御に必要なパラメータは、基板を処理する温度帯ごとに調整され、それぞれ個別のパラメータテーブルとして設定されることが好ましい。
さらに、パラメータテーブルは、反応炉3内で処理される基板の枚数に応じて、個別のパラメータテーブルが設定されるようにしてもよい。
例えばボート108に100枚の基板を載置して調整した温度予測パラメータ「K1,T1,K2,T2,b,C」と、ボート108に50枚の基板を載置して調整した温度予測パラメータ「K1,T1,K2,T2,b,C」とをそれぞれ設定し、反応炉3内で処理される基板の枚数に応じてパラメータテーブルが装置操作部2を介して選択されるようにしてもよい。
図18に示すように、パラメータ設定画面は、テーブル選択部222、モニタ基板数入力部224、予測パラメータ入力部226および干渉度合い入力部228を有する。
モニタ基板数入力部224は、使用される温度モニタ基板400の枚数を作業者から受入れる。
このように、半導体処理装置1には、温度モニタ基板400の枚数が3枚よりも多く用いられてもよい。
また、温度モニタ基板400の枚数は、1枚でも、2枚でもよい。
予測パラメータ入力部226は、温度モニタ基板400ごとに温度予測パラメータ「K1,T1,K2,T2,b,C」を作業者から受入れる。
干渉度合い入力部228は、温度モニタ基板400ごとに干渉比率または干渉行列の逆行列演算結果を、外部熱電対342−1〜342−4および内部熱電対302−1〜302−4それぞれに対して作業者から受入れる。
また、干渉比率または干渉行列の逆行列演算結果のいずれのパラメータによって制御されるかをパラメータ設定画面内に表示し、切替え設定可能としてもよい。
基板予測制御の実行は、上述したように、反応炉3に設けられた内部熱電対302および外部熱電対342に対して温度を設定し、温度モニタ基板400の温度変化を確認して温度予測パラメータなどを決定する基板予測制御の準備の段階と、準備された温度予測パラメータなどを用いて基板温度予測制御を行って基板を実際に処理する段階とに分けられる。
図20は、装置操作部2の表示・入力部22において、基板予測制御を実行して基板を処理する段階に表示される温度制御設定画面の例を示す図である。
温度制御設定画面は、例えばタッチパネルなどに表示され、モード選択部230、温度設定部232およびパラメータ設定部234を有し、表示と指示の受け入れとを合わせて行うようにしてある。
温度制御設定画面における設定の対象は、例えば内部熱電対302、外部熱電対342および温度モニタ基板400などである。
モード選択部230において、例えば内部熱電対302または外部熱電対342が選択されると(図19参照)、温度制御設定画面は、基板予測制御の準備をするモードとなり、選択された熱電対に対して各ゾーンごとに設定温度および昇温の傾きの指示を受け入れる表示を温度設定部232に表示する。
また、モード選択部230において、例えば基板温度予測制御をすることが選択されると(図20参照)、温度制御設定画面は、基板予測制御を実行するモードとなり、各温度モニタ基板400に対する設定温度および昇温の傾きの指示を受け入れる表示を温度設定部232に表示する。
さらに、温度設定部232は、受入れた指示を表示する。
PID選択部236は、温度設定部232で設定された設定温度および昇温の傾きに応じて、例えばPID制御のためのパラメータ、並びに設定温度の温度帯および処理の対象となる基板の枚数に応じて調整されたパラメータを含むパラメータテーブルを選択する指示を受け入れ、受入れた指示を表示する。
予測制御選択部238は、モード選択部230において基板予測制御の準備をするモードが選択されている場合には、温度予測パラメータ「K1,T1,K2,T2,b,C」が使用されないことを表示する。
また、予測制御選択部238は、モード選択部230において基板予測制御を実行するモードが選択されている場合には、温度設定部232による設定および基板の枚数などに応じた最適な温度予測パラメータ「K1,T1,K2,T2,b,C」が選択されるように、パラメータが操作制御部20によって自動的に切り替えられることを表示する。
温度予測パラメータ「K1,T1,K2,T2,b,C」の選択は、予測制御表示部238において、いずれの場合にも作業者が指示するようにしてもよい。
また、基板温度予測制御を行って基板を実際に処理する場合には、温度コントローラ4が予測した基板温度を装置操作部2が受信し、表示・入力部22によって表示させたり、記憶部26に記憶させることができ、作業者は予測温度の状況を基板の処理中または処理後に確認することができる。
図21は、基板予測制御の準備をするモードにおいて、内部熱電対302の温度の応答が設定温度Sの変化に近づくようにゾーンヒータ340の出力をPID演算などによって制御した場合の基板エッジ温度Wと基板中心温度Cの応答を例示するグラフである。
図22は、基板温度予測制御を実行するモードにおいて、基板温度予測制御の対象を基板エッジ温度Wとし、設定温度Sの変化に対する基板エッジ温度Wおよび基板中心温度Cの応答を例示するグラフである。
図21に示すように、温度コントローラ4が装置操作部2の制御に基づいて、内部熱電対302の温度の応答が設定温度Sの変化に近づくようにゾーンヒータ340の出力をPID演算などによって変化させると、基板エッジ温度Wおよび基板中心温度Cは、それぞれ設定温度S(800°C)に対して大きくオーバーシュートした後に、設定温度Sで安定する。
図22に示した例においては、基板温度予測制御の対象を基板エッジ温度Wとして、基板エッジ温度Wの予測制御による応答が、基板予測制御の準備をする段階で検出された基板エッジ温度Wの応答に近づくように温度予測パラメータ「K1,T1,K2,T2,b,C」が調整されているので、基板エッジ温度Wが設定温度Sに対してオーバーシュートすることなく設定温度Sに達して安定し、基板中心温度Cは遅れて昇温し、基板エッジ温度Wよりも遅れて設定温度Sに達して安定する。
図23に示すように、基板温度予測制御の対象を基板エッジ温度Wと基板中心温度Cとの平均温度として、この平均温度の予測制御による応答が基板予測制御の準備をする段階で検出された基板エッジ温度Wと基板中心温度Cとの平均温度に近づくように温度予測パラメータ「K1,T1,K2,T2,b,C」が調整されているので、基板エッジ温度Wの応答は設定温度Sに対して図21に示した基板エッジ温度Wの応答よりもオーバーシュートが小さくなり、かつ、基板中心温度Cの応答は図22に示し基板中心温度Cの応答よりも1分程度早く設定温度Sに達して安定している。
このように、基板温度予測制御の対象を自由に選択し、選択された対象の予測温度の応答を選択された対象の準備段階で検出された温度の応答に近づくように温度予測パラメータ「K1,T1,K2,T2,b,C」を調整することにより、基板温度の応答を基板温度予測制御の対象に基づいて変化させることができる。
また、温度モニタ基板400の予測温度は、外部熱電対温度Hを用いることなく、内部熱電対温度Pと、基板の温度とを一次遅れ演算することにより算出するようにしてもよい。
本実施形態では、バッチ式の半導体処理装置の減圧CVD装置の場合について説明したが、本発明はこれに限らず、バッチ式の半導体処理装置の拡散装置等の熱処理装置や枚葉装置、その他の基板処理装置全般に適用することができる。
Claims (13)
- 処理室内に収容された基板を加熱する加熱手段と、
前記処理室内の温度を検出する温度検出手段と、
前記基板の温度を周期的に予測する基板温度予測手段と、
前記温度検出手段が検出した前記処理室内の温度と、前記基板温度予測手段が1回前の周期で予測した予測温度とを混合して、前記基板温度予測手段により前記1回前の周期の次回の周期における温度を予測し、該予測温度を用いて前記加熱手段を制御する制御手段と
を有する基板処理装置。 - 処理室内に収容された基板を加熱する加熱手段と、
前記加熱手段の近傍の温度を検出する第1の温度検出手段と、
前記基板の近傍の温度を検出する第2の温度検出手段と、
前記第1の温度検出手段が検出した温度から算出する前記基板の第1の予測温度と、前記第2の温度検出手段が検出した温度から算出する前記基板の第2の予測温度とを混合させ、該混合した予測温度を用いて前記加熱手段を制御する制御手段と
を有する基板処理装置。 - 前記加熱手段は、
複数の加熱ゾーンそれぞれに対応する複数のゾーン加熱手段を有し、
前記基板温度予測手段は、
前記複数のゾーン加熱手段それぞれが予測温度の対象となる前記基板の温度に対して干渉する度合いにより、前記予測温度の対象となる前記基板ごとに対応する仮想温度検出手段の検出予測値を算出し、該検出予測値と、前記1回前の周期の予測温度とを用いて、前記1回前の周期の次回の周期における温度を予測する
請求項1記載の基板処理装置。 - 前記制御手段は、前記第2の温度検出手段が検出した温度の変動の大きさにより、前記基板の第1の予測温度と第2の予測温度との混合比を変える
請求項2記載の基板処理装置。 - 前記加熱手段は、複数のゾーン加熱手段を有し、
前記温度検出手段は、前記ゾーン加熱手段それぞれに対応するゾーン温度検出手段を有し、
前記制御手段は、
温度を予測しようとする基板が他の基板よりも近くなる位置に仮想温度検出手段を設定し、該仮想温度検出手段と前記ゾーン温度検出手段との対応関係と、前記ゾーン温度検出手段が測定する測定値に基づいて、前記仮想温度検出手段の検出値を算出し、算出された検出値と、前記仮想温度検出手段により予測された1回前の周期での基板温度とを用いて、前記1回前の周期の次回の周期における基板温度を予測し、該基板予測温度に基づいて、前記ゾーン加熱手段それぞれを制御する
請求項1記載の基板処理装置。 - 前記加熱手段は、複数のゾーン加熱手段を有し、
前記温度検出手段は、前記ゾーン加熱手段それぞれに対応する第1のゾーン温度検出手段と第2のゾーン温度検出手段とを有し、
前記制御手段は、
温度を予測しようとする基板が他の基板よりも近くなる位置に仮想温度検出手段を設定し、該仮想温度検出手段と前記第1のゾーン温度検出手段または第2のゾーン温度検出手段との対応関係と、前記第1のゾーン温度検出手段または第2のゾーン温度検出手段が測定する測定値に基づいて、前記仮想温度検出手段の検出値を算出し、算出された検出値と、前記仮想温度検出手段により予測された1回前の周期の基板温度とを用いて、前記1回前の周期の次回の周期における基板温度を予測し、該基板予測温度に基づいて、前記ゾーン加熱手段それぞれを制御する
請求項2記載の基板処理装置。 - 前記制御手段が前記加熱手段の出力を制御する周期と略同一の周期で前記温度検出手段が検出する温度を表示および記録またはこれらのいずれかによって出力する出力手段をさらに有する
請求項1記載の基板処理装置。 - 前記制御手段が前記加熱手段の出力を制御する周期と略同一の周期で前記温度検出手段が検出する温度を表示および記録またはこれらのいずれかによって出力する出力手段をさらに有する
請求項2記載の基板処理装置。 - 前記制御手段が前記加熱手段の出力を制御する周期と略同一の周期で前記温度検出手段が検出する温度を表示および記録またはこれらのいずれかによって出力する出力手段をさらに有する
請求項3記載の基板処理装置。 - 前記制御手段が前記加熱手段の出力を制御する周期と略同一の周期で前記温度検出手段が検出する温度を表示および記録またはこれらのいずれかによって出力する出力手段をさらに有する
請求項5記載の基板処理装置。 - 前記制御手段が前記加熱手段の出力を制御する周期と略同一の周期で前記温度検出手段が検出する温度を表示および記録またはこれらのいずれかによって出力する出力手段をさらに有する
請求項6記載の基板処理装置。 - 処理室内に収容された基板を加熱する工程と、
前記処理室内の温度を検出する工程と、
前記基板の温度を周期的に予測する工程と、
前記検出した前記処理室内の温度と、前記周期的に予測した温度の1回前の周期で予測した予測温度とを混合して、前記1回前の周期の次回の周期における温度を予測し、該予測温度を用いて基板の加熱を制御する工程と
を有する基板処理方法。 - 基板を処理する反応室と、前記反応室内を加熱する加熱手段と、前記加熱手段を制御する制御手段と、前記加熱手段と前記基板との間の温度を検出する第1の温度検出手段と、前記第1の温度検出手段よりも前記基板の近傍で温度を検出する第2の温度検出手段とを有する基板処理装置において、
前記第1の温度検出手段で温度を測定する工程と、
前記第1の温度検出手段によって測定された温度から第1の基板予測温度を算出する工程と、
前記第2の温度検出手段で温度を測定する工程と、
前記第2の温度検出手段によって測定された温度から第2の基板予測温度を算出する工程と、
前記第1の基板予測温度と前記第2の基板予測温度とを混合し、前記加熱手段を制御する工程と
を有する基板処理方法。
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