(57)【要約】【課題】導入すべきウェーハの大きさや数量に変動がある場合にも炉内の温度の急激な低下および大きなオーバーシュートを生じることがなく、操作量の設定および変更が容易な熱処理装置およびその温度制御方法を提供する。【解決手段】炉１は、温度制御のための３つの各ゾーン１０１〜１０３を有しており、温度制御部２０は、これらのゾーンに対応して設けられる各プロファイル７１〜７３および各スパイク８１〜８３が検出した測定温度を設定温度に近づけるように、供給すべき電力を調整して対応する領域を加熱する各ヒータ９１〜９３を制御する操作量を示す制御信号Ｓｔ，Ｓｃ，Ｓｂを出力し、下部蓋１０が開けられてウェーハ３およびそれらを搭載するボート２が反応管４内部に導入される際には、ＢＴＭヒータ９３の発熱量を増加させるように上記操作量に対して所定のバイアス操作量を加算する。【選択図】　　　　図１
2004006447.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に導入される対象物に加熱処理を行う熱処理装置であって、
複数の加熱領域を有し、前記対象物が内部に導入される格納手段と、
前記複数の加熱領域に対応して設けられ、前記対象物を所定の発熱量で加熱する複数の加熱手段と、
前記複数の加熱領域に対応して設けられ、前記対象物付近の温度を検出する複数の温度検出手段と、
前記複数の温度検出手段により検出された温度が所定の目標温度に合致するように対応する加熱手段の発熱量を制御するための出力操作量を算出し、算出された出力操作量に基づいて対応する加熱手段の発熱量を制御する温度制御手段と
を備え、
前記温度制御手段は、前記対象物が導入される際に最初に近づくべき加熱領域に対応する第１の加熱手段の発熱量を制御するための出力操作量を算出する際には、所定の目標温度に合致するように当該第１の加熱手段の発熱量を制御するための第１の操作量を算出した後、当該第１の操作量に対して所定の第１のバイアス操作量を加算することにより当該出力操作量を算出することを特徴とする、熱処理装置。
【請求項２】
前記温度制御手段は、前記第１の加熱手段の発熱量を制御するための出力操作量を算出する際に、
前記対象物が導入される時点までおよびその後の所定の時点より後では、対応する温度検出手段により検出された温度が所定の目標温度に合致するように当該第１の加熱手段の発熱量を制御するための出力操作量を算出し、
前記対象物が導入される時点から前記所定の時点までは、当該第１の加熱手段の発熱量を制御するための第１の操作量を算出した後、当該第１の操作量に対して前記第１のバイアス操作量を加算することにより当該出力操作量を算出することを特徴とする、請求項１に記載の熱処理装置。
【請求項３】
前記温度制御手段は、前記対象物が導入される際に最初に近づくべき加熱領域に隣接する加熱領域に対応する第２の加熱手段の発熱量を制御するための出力操作量を算出する際には、当該第２の加熱手段の発熱量を制御するための第２の操作量を算出した後、当該第２の操作量に対して所定の第２のバイアス操作量を加算することにより当該出力操作量を算出することを特徴とする、請求項１に記載の熱処理装置。
【請求項４】
前記第２のバイアス操作量に対応する発熱量は、前記第１のバイアス操作量に対応する発熱量の略２５％以下に設定されることを特徴とする、請求項３に記載の熱処理装置。
【請求項５】
複数の加熱領域を有し、内部に導入される対象物に対して当該複数の加熱領域において加熱処理を行う熱処理装置の温度制御方法であって、
前記複数の加熱領域の温度を検出する温度検出ステップと、
前記複数の加熱領域毎に前記対象物を所定の発熱量で加熱する加熱ステップと、
前記温度検出ステップにおいて検出された温度が所定の目標温度に合致するように前記加熱ステップにおける前記発熱量を制御するための出力操作量を算出し、算出された出力操作量に基づいて前記加熱領域に対応する発熱量を制御する温度制御ステップとを含み、
前記温度制御ステップは、前記対象物が導入される際に最初に近づくべき加熱領域に対応する第１の発熱量を制御するための出力操作量を算出する際には、所定の目標温度に合致するように当該第１の発熱量を制御するための第１の操作量を算出した後、当該第１の操作量に対して所定の第１のバイアス操作量を加算することにより当該出力操作量を算出することを特徴とする、温度制御方法。
【請求項６】
前記温度制御ステップは、前記第１の発熱量を制御するための出力操作量を算出する際に、
前記対象物が導入される時点までおよびその後の所定の時点より後では、前記温度検出ステップにおいて検出された温度が所定の目標温度に合致するように当該第１の発熱量を制御するための出力操作量を算出し、
前記対象物が導入される時点から前記所定の時点までは、当該第１の発熱量を制御するための出力操作量を算出した後、当該第１の操作量に対して前記第１のバイアス操作量を加算することにより当該出力操作量を算出することを特徴とする、請求項５に記載の温度制御方法。
【請求項７】
前記温度検出ステップは、前記対象物が導入される際に最初に近づくべき加熱領域に隣接する加熱領域に対応する第２の発熱量を制御するための出力操作量を算出する際には、当該第２の発熱量を制御するための第２の操作量を算出した後、算出された第２の操作量に対して所定の第２のバイアス操作量を加算することにより当該出力操作量を算出することを特徴とする、請求項５に記載の温度制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内部に導入されたウェーハなどの対象物に対して熱拡散、酸化、ＣＶＤ等の熱処理を行う熱処理装置およびそれに用いられる温度制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体ウェーハを熱処理するための熱処理装置においては、炉内の温度がほぼ一定に保たれた状態で炉内にウェーハが導入される。しかし、縦型の熱処理装置では炉内上方の温度と下方の温度とに差が生じることがあるため、熱処理すべき各ウェーハ間の温度を均一にすることが求められる。
【０００３】
このような要求に応えるために、例えば従来より鉛直方向に温度制御のための層構造を有する複数の加熱ゾーンが設けられる縦型熱処理装置が提案されている。この従来の縦型熱処理装置においては、上記複数の加熱ゾーン毎に温度が検出され、それぞれの加熱ゾーンに加えられるべき熱量（すなわち発熱量）を調整する温度制御が行われる。この構成により、炉内の温度が高精度に制御される。
【０００４】
ここで、導入される多くのウェーハおよびそれらのウェーハを搭載するボートは常温であり比較的大きな熱容量を有するため、これらが炉内に導入されると炉内の温度は急激に低下する。ここで、炉内の温度低下が検出されるのを待ってから炉内の温度を上昇させるような制御が行われるとすると、炉の時定数が大きいことにより炉内の温度が目標値を大きくオーバーシュートする。その結果、炉内の温度の整定（目標温度に対し微少な温度差内で安定させること）が困難となり、半導体ウェーハの処理に要する時間が長くなってスループットが低下する。また近年、半導体ウェーハは大口径化が進み、熱処理すべきウェーハ面内の温度を均一にすることが求められている。大口径のウェーハ面の中心部と外周部とで大きな温度差が生じるとクラックや欠け等を生じる可能性があるからである。そのため炉内の温度が急激に変化しないような温度制御が好ましい。そこで、内部にウェーハを導入する際に生じる炉内の温度の急激な低下およびその後の大きなオーバーシュートが生じない熱処理装置およびそれに用いられる温度制御方法が求められている。
【０００５】
このような要求に応えるために、例えば特開２０００−１８１５４９号公報では、上記複数の加熱ゾーンが設けられるとともに、内部にウェーハを導入する際には通常のＰＩＤ制御に代えて予め定められた固定された制御パターンに基づく温度制御を行う縦型熱処理装置の構成が開示されている。この構成により、炉内にウェーハを導入する際に生じる温度低下を回復するための整定時間が短縮される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記公報に開示される従来の縦型熱処理装置は、内部にウェーハが導入される際にはどのような場合であっても固定された制御パターンに基づく温度制御が行われる。このことから、導入すべきウェーハの大きさや数量に変動がある場合には、その変動に対応する温度制御を行うことができない。
【０００７】
また、上記公報に開示される従来の縦型熱処理装置は、各加熱ゾーン間の熱干渉を考慮して全加熱ゾーンにおける適切な温度制御を行うための制御パターンが精密に作成される。そのため上記制御パターンの作成は容易ではない。さらに例えば或る加熱ゾーンに対応するヒータが経時変化により劣化した場合には適切な制御を行うための操作量が変化する。このような場合には上記制御パターンは変更されることが好ましい。しかし、この場合も上記制御パターンの変更は容易ではない。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、導入すべきウェーハの大きさや数量に変動がある場合にもウェーハを導入する際に生じる炉内の温度の急激な低下およびその後の大きなオーバーシュートを生じることがなく、また適切な温度制御を行うための操作量の設定および変更が容易な熱処理装置およびそれに用いられる温度制御方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
第１の発明は、内部に導入される対象物に加熱処理を行う熱処理装置であって、
複数の加熱領域を有し、前記対象物が内部に導入される格納手段と、
前記複数の加熱領域に対応して設けられ、前記対象物を所定の発熱量で加熱する複数の加熱手段と、
前記複数の加熱領域に対応して設けられ、前記対象物付近の温度を検出する複数の温度検出手段と、
前記複数の温度検出手段により検出された温度が所定の目標温度に合致するように対応する加熱手段の発熱量を制御するための出力操作量を算出し、算出された出力操作量に基づいて対応する加熱手段の発熱量を制御する温度制御手段と
を備え、
前記温度制御手段は、前記対象物が導入される際に最初に近づくべき加熱領域に対応する第１の加熱手段の発熱量を制御するための出力操作量を算出する際には、所定の目標温度に合致するように当該第１の加熱手段の発熱量を制御するための第１の操作量を算出した後、当該第１の操作量に対して所定の第１のバイアス操作量を加算することにより当該出力操作量を算出することを特徴とする。
【００１０】
このような第１の発明によれば、ウェーハが導入される際に最初に近づくべき加熱領域に対応する加熱手段の発熱量を制御するための出力操作量を算出する際には、さらにバイアス操作量を加算する温度制御が行われる。この構成により、炉内にウェーハを導入する際に生じる炉内の温度変化を小さくすることができ、またその後のオーバーシュートを小さくして炉内温度の整定を短時間で行うことができる。
【００１１】
また、第１の発明によれば、温度検出手段により検出された温度が所定の目標温度に合致するように対応する加熱手段の発熱量を制御するための操作量を算出するとともに、バイアス操作量を加算する温度制御を行う。この構成により、導入すべきウェーハの大きさや数量に変動がある場合にも適切な温度制御が行われる。
【００１２】
さらに、第１の発明によれば、予め定められた所定のバイアス操作量を加算する温度制御が行われる。この構成により、加熱手段が経年変化に基づく劣化により加熱すべき発熱量を発生させることができなくなった場合においても適切な制御を行うために、バイアス操作量およびその加算時間の一方または双方を増加させるような変更を容易に行うことができる。
【００１３】
また、第１の発明によれば、ウェーハが導入される際に最初に近づくべき加熱領域の加熱手段の発熱量が増加され、そのほかの加熱手段の発熱量は増加されない。この構成により、各加熱領域の全ての発熱量が増加される構成よりも消費電力を小さくすることができる。
【００１４】
第２の発明は、第１の発明において、
前記温度制御手段は、前記第１の加熱手段の発熱量を制御するための出力操作量を算出する際に、
前記対象物が導入される時点までおよびその後の所定の時点より後では、対応する温度検出手段により検出された温度が所定の目標温度に合致するように当該第１の加熱手段の発熱量を制御するための出力操作量を算出し、
前記対象物が導入される時点から前記所定の時点までは、当該第１の加熱手段の発熱量を制御するための第１の操作量を算出した後、当該第１の操作量に対して前記第１のバイアス操作量を加算することにより当該出力操作量を算出することを特徴とする。
【００１５】
第３の発明は、第１の発明において、
前記温度制御手段は、前記対象物が導入される際に最初に近づくべき加熱領域に隣接する加熱領域に対応する第２の加熱手段の発熱量を制御するための出力操作量を算出する際には、当該第２の加熱手段の発熱量を制御するための第２の操作量を算出した後、当該第２の操作量に対して所定の第２のバイアス操作量を加算することにより当該出力操作量を算出することを特徴とする。
【００１６】
このような第３の発明によれば、所定の第２のバイアス操作量がさらに加算されることにより、ウェーハが導入される際に最初に近づくべき加熱領域に隣接する加熱領域に対応する加熱手段の発熱量も増加される。この構成により、ウェーハが導入される際に最初に近づくべき加熱領域とそれに隣接する加熱領域のそれぞれの加熱により、ウェーハは十分な熱量の熱を受けることができるので、ウェーハの導入による温度低下をより小さくすることができる。
【００１７】
第４の発明は、第３の発明において、
前記第２のバイアス操作量に対応する発熱量は、前記第１のバイアス操作量に対応する発熱量の略２５％以下に設定されることを特徴とする。
【００１８】
第５の発明は、複数の加熱領域を有し、内部に導入される対象物に対して当該複数の加熱領域において加熱処理を行う熱処理装置の温度制御方法であって、
前記複数の加熱領域の温度を検出する温度検出ステップと、
前記複数の加熱領域毎に前記対象物を所定の発熱量で加熱する加熱ステップと、
前記温度検出ステップにおいて検出された温度が所定の目標温度に合致するように前記加熱ステップにおける前記発熱量を制御するための出力操作量を算出し、算出された出力操作量に基づいて前記加熱領域に対応する発熱量を制御する温度制御ステップとを含み、
前記温度制御ステップは、前記対象物が導入される際に最初に近づくべき加熱領域に対応する第１の発熱量を制御するための出力操作量を算出する際には、所定の目標温度に合致するように当該第１の発熱量を制御するための第１の操作量を算出した後、当該第１の操作量に対して所定の第１のバイアス操作量を加算することにより当該出力操作量を算出することを特徴とする。
【００１９】
第６の発明は、第５の発明において、
前記温度制御ステップは、前記第１の発熱量を制御するための出力操作量を算出する際に、
前記対象物が導入される時点までおよびその後の所定の時点より後では、前記温度検出ステップにおいて検出された温度が所定の目標温度に合致するように当該第１の発熱量を制御するための出力操作量を算出し、
前記対象物が導入される時点から前記所定の時点までは、当該第１の発熱量を制御するための出力操作量を算出した後、当該第１の操作量に対して前記第１のバイアス操作量を加算することにより当該出力操作量を算出することを特徴とする。
【００２０】
第７の発明は、第５の発明において、
前記温度検出ステップは、前記対象物が導入される際に最初に近づくべき加熱領域に隣接する加熱領域に対応する第２の発熱量を制御するための出力操作量を算出する際には、当該第２の発熱量を制御するための第２の操作量を算出した後、算出された第２の操作量に対して所定の第２のバイアス操作量を加算することにより当該出力操作量を算出することを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
＜１．第１の実施形態＞
＜１．１　熱処理装置全体の構成および動作＞
まず、本発明に係る熱処理装置の一例としての縦型熱処理装置を第１の実施形態として説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る縦型熱処理装置の構成を示す模式図である。この熱処理装置は、熱処理を行う炉１と、その内部の温度を制御する温度制御部２０とを備える。炉１は、温度制御のために定められた３層の領域を有しており、これらの領域を上層からトップ（ＴＯＰ）ゾーン１０１、センタ（ＣＮＴ）ゾーン１０２、ボトム（ＢＴＭ）ゾーン１０３と称する。この炉１は、石英または炭化珪素から成る反応管４と、反応管４の内部へ各種処理に用いられるガスを導入するガス導入口５と、反応管４の内部からガスを排出するガス排出口６と、周囲の温度を検出するための例えば熱電対で構成されるＴＯＰプロファイル７１，ＣＮＴプロファイル７２，およびＢＴＭプロファイル７３と、同様に周囲の温度を検出するＴＯＰスパイク８１，ＣＮＴスパイク８２，およびＢＴＭスパイク８３と、後述する制御信号により供給すべき電力を調整して対応する領域を加熱するＴＯＰヒータ９１，ＣＮＴヒータ９２，およびＢＴＭヒータ９３と、開閉自在の下部蓋１０とを含む。
【００２２】
なお、反応管４の内部には熱処理の対象物である複数の半導体ウェーハ３と、ウェーハ３を搭載するボート２とが格納されている。これらのウェーハ３およびボート２は、閉じられていた下部蓋１０が開けられる動作（以下「ボートイン開始動作」と称する）が完了した後、炉１の下方から反応管４の内部に導入される。さらにそれらの導入完了後に下部蓋１０が閉められる動作（以下「ボートイン終了動作」と称する）が完了することにより、ウェーハ３およびボート２は、反応管４の内部に密閉された状態で格納される。
【００２３】
ＴＯＰヒータ９１は、トップゾーン１０１に対応した位置に設けられており、トップゾーン１０１の雰囲気を加熱することにより、対応する位置に格納されるウェーハ３に対して熱処理を行う。なお、ＴＯＰヒータ９１は、後述する温度制御部２０からの制御信号Ｓｔが与えられ、当該制御信号Ｓｔが示す発熱量に基づいてヒータ内部の発熱体へ供給すべき電力が調整されることにより、ウェーハ３に対する加熱量（すなわち発熱量）を制御される。ＴＯＰスパイク８１は、このＴＯＰヒータ９１近傍の空間に設置されており、ＴＯＰヒータ９１近傍の温度を測定して測定温度ＰＴＣ＿ＴＯＰを示す信号を温度制御部２０に与える。ＴＯＰプロファイル７１は、トップゾーン１０１の領域内のウェーハ３近傍に設置されており、その近傍の温度を測定して測定温度ＭＴＣ＿ＴＯＰを示す信号を温度制御部２０に与える。
【００２４】
同様に、ＣＮＴヒータ９２は、センタゾーン１０２に対応した位置に設けられて、温度制御部２０からの制御信号Ｓｃにより発熱量を制御される。ＣＮＴスパイク８２は、このＣＮＴヒータ９２近傍の空間に設置されており、ＣＮＴヒータ９２近傍の温度を測定して測定温度ＰＴＣ＿ＣＮＴを示す信号を温度制御部２０に与える。ＣＮＴプロファイル７２は、センタゾーン１０２の領域内のウェーハ３近傍に設置されており、その近傍の温度を測定して測定温度ＭＴＣ＿ＣＮＴを示す信号を温度制御部２０に与える。また、ＢＴＭヒータ９３は、ボトムゾーン１０３に対応した位置に設けられて、温度制御部２０からの制御信号Ｓｂにより発熱量を制御される。ＢＴＭスパイク８３は、このＢＴＭヒータ９３近傍の空間に設置されており、ＢＴＭヒータ９３近傍の温度を測定して測定温度ＰＴＣ＿ＢＴＭを示す信号を温度制御部２０に与える。ＢＴＭプロファイル７３は、ボトムゾーン１０３の領域内のウェーハ３近傍に設置されており、その近傍の温度を測定して測定温度ＭＴＣ＿ＢＴＭを示す信号を温度制御部２０に与える。
【００２５】
＜１．２　温度制御部の構成および動作＞
次に、温度制御部２０の詳細な構成およびその温度制御動作について説明する。図２は、温度制御部２０の詳細な構成を示すブロック図である。この温度制御部２０は、トップゾーン１０１における温度制御を行うトップゾーン用ＰＩＤ制御部２０１と、センタゾーン１０２における温度制御を行うセンタゾーン用ＰＩＤ制御部２０２と、ボトムゾーン１０３における温度制御を行うボトムゾーン用ＰＩＤ制御部２０３と、ボトムゾーン用ＰＩＤ制御部２０３から出力される操作量（以下「第１の操作量」と称する）に対して加算すべき所定の操作量（以下「バイアス操作量」と称する）を所定の時間だけ出力するボトムゾーン用バイアス制御部２１３と、ボトムゾーン用ＰＩＤ制御部２０３からの出力値とボトムゾーン用バイアス制御部２１３からの出力値とを加算し制御信号Ｓｂとして出力する加算器２２３とを含む。また、上記ボトムゾーン用バイアス制御部２１３には、後述するシーケンス制御部３０から出力されるボートイン開始信号が与えられる。
【００２６】
トップゾーン用ＰＩＤ制御部２０１は、トップゾーン１０１における上記測定温度ＰＴＣ＿ＴＯＰおよびＭＴＣ＿ＴＯＰが入力されて、測定温度と設定された目標温度との偏差に対して比例・積分・微分演算（ＰＩＤ演算）を行い、測定温度ＭＴＣ＿ＴＯＰが目標温度で安定するように、ＴＯＰヒータ９１の発熱量を示す制御信号Ｓｔを出力する。
【００２７】
同様に、センタゾーン用ＰＩＤ制御部２０２は、センタゾーン１０２における上記測定温度ＰＴＣ＿ＣＮＴおよびＭＴＣ＿ＣＮＴが入力されて、測定温度と設定された目標温度との偏差に基づいてＰＩＤ演算を行い、測定温度ＭＴＣ＿ＣＮＴが目標温度で安定するように、ＣＮＴヒータ９２の発熱量を示す制御信号Ｓｃを出力する。
【００２８】
ボトムゾーン用ＰＩＤ制御部２０３は、ボトムゾーン１０３における上記測定温度ＰＴＣ＿ＢＴＭおよびＭＴＣ＿ＢＴＭが入力されて、測定温度と設定された目標温度との偏差に基づいてＰＩＤ演算を行い、測定温度ＭＴＣ＿ＢＴＭが目標温度で安定するような第１の操作量を示す信号を出力する。
【００２９】
このように各ゾーン用ＰＩＤ制御部２０１〜２０３は、熱処理装置の動作中に実行される各種処理に応じて設定される温度を目標値として各ゾーンの温度を制御するが、この制御はボートイン開始動作からボートイン終了動作までの期間を含む全ての動作期間、すなわち熱処理装置が動作中の間、停止されることなく継続的に行われる。ボトムゾーン用バイアス制御部２１３は、上記のようにボトムゾーン用ＰＩＤ制御部２０３から継続的に出力される第１の操作量に対して、加算器２２３により加算されるべき所定のバイアス操作量を所定の期間だけ一時的に出力する。以下、このボトムゾーン用バイアス制御部２１３の動作について詳述する。
【００３０】
ボトムゾーン用バイアス制御部２１３は、ウェーハを導入する際に生じる炉内の温度の急激な低下およびその後の大きなオーバーシュートが生じないように、ボトムゾーン用ＰＩＤ制御部２０３が出力する第１の操作量が示すＢＴＭヒータ９３の発熱量を一時的に増加させるように所定のバイアス操作量を出力する。具体的には本熱処理装置は熱処理を含む各種処理が所定の手順で行われるように制御するシーケンス制御部３０を備えており、このシーケンス制御部３０は上記ボートイン開始動作およびボートイン終了動作に応じて下部蓋１０が開けられたことを示すボートイン開始信号Ｓｏおよび下部蓋１０が閉められたことを示すボートイン終了信号Ｓｓを出力する。ボトムゾーン用バイアス制御部２１３は、このシーケンス制御部３０からのボートイン開始信号Ｓｏが入力されると、所定の時点（例えばボートイン終了信号Ｓｓが入力される時点またはそれ以前の予め定められた時点）まで所定のバイアス操作量を出力する。このバイアス操作量は、予め定められた一定の値であっても、時間経過に応じて予め定められたように変化する所定の値であってもよい。
【００３１】
＜１．３　ボトムゾーン用バイアス制御部の作用＞
次に、ボトムゾーン用バイアス制御部２１３の作用について、図３および図４を参照しつつ説明する。図３は、本熱処理装置においてボトムゾーン用バイアス制御部２１３が動作していない（すなわちバイアス操作量が０に設定された）場合の各ゾーンの測定温度を示すグラフである。したがって、ここでは各ゾーン用ＰＩＤ制御部２０１〜２０３による温度制御のみが行われる。なお、ボートイン開始動作は時刻０分の時点において始まる。
【００３２】
図３を参照すると、ウェーハ３近傍に設置される各プロファイル７１〜７３の測定温度ＭＴＣ＿ＴＯＰ，ＭＴＣ＿ＣＮＴ，ＭＴＣ＿ＢＴＭは、ボートイン開始動作時点から急激に低下する。それは常温で熱容量の大きいボート２およびウェーハ３が炉内に導入されたことによる。このような測定温度の低下に応じて、各ゾーン用ＰＩＤ制御部２０１〜２０３は、所定の目標温度へ近づけるように各ヒータ９１〜９３の発熱量を増加する制御を行う。この制御により、各ヒータ９１〜９３付近に配置された各スパイク８１〜８３の測定温度ＰＴＣ＿ＴＯＰ，ＰＴＣ＿ＣＮＴ，ＰＴＣ＿ＢＴＭは急激に上昇する。数分後、測定温度ＭＴＣ＿ＴＯＰ，ＭＴＣ＿ＣＮＴ，ＭＴＣ＿ＢＴＭが上昇に転じると、各ヒータ９１〜９３の発熱量は減少するように制御されるが、炉の時定数が大きいことにより測定温度ＭＴＣ＿ＴＯＰ，ＭＴＣ＿ＣＮＴ，ＭＴＣ＿ＢＴＭは目標温度を大きくオーバーシュートする。その結果、ボートイン開始動作時点から３０分が経過した時点でも、測定温度ＭＴＣ＿ＴＯＰ，ＭＴＣ＿ＣＮＴ，ＭＴＣ＿ＢＴＭは目標温度近傍で安定した値をとることはない。このように、各ゾーン用ＰＩＤ制御部２０１〜２０３による温度制御のみを行う方法では、炉内の温度が急激に下降し上昇する大きな温度変化が生じ、また大きなオーバーシュートのため炉内温度の整定が困難になり、処理時間が長くかかることになる。
【００３３】
これらの問題点は、ボトムゾーン用バイアス制御部２１３の動作により解決される。すなわち、ボトムゾーン用バイアス制御部２１３は、ボートイン開始動作時点から所定のバイアス操作量をボトムゾーン用ＰＩＤ制御部２０３から出力される第１の操作量に対して加算する。そのため、ボートイン開始動作時点からボトムゾーン用ＰＩＤ制御部２０３のみが動作している場合よりもＢＴＭヒータ９３の発熱量が大きくなる。したがって、炉１の下方からゆっくりと導入されるボート２およびウェーハ３がこのＢＴＭヒータ９３による通常より大きな熱量の熱を受け、ボトムゾーン１０３において十分に熱せられる。このことによりトップゾーン１０１においてはもちろん、センタゾーン１０２においてもボート２およびウェーハ３の導入による温度低下が小さくなる。このようなボトムゾーン用バイアス制御部２１３による制御は、ボート２およびウェーハ３を導入することにより生じるべき外乱の影響を打ち消すような操作量を加えるという意味で、フィードフォワード制御であると言える。以下、上記ボトムゾーン用バイアス制御部２１３の動作について、図４に示す具体例を用いて説明する。
【００３４】
図４は、本熱処理装置においてボトムゾーン用バイアス制御部２１３が動作している場合の各ゾーンの測定温度を示すグラフである。なお、ボートイン開始動作は時刻０分の時点において始まる。図４を参照すると、ウェーハ３近傍に設置される各プロファイル７１〜７３の測定温度ＭＴＣ＿ＴＯＰ，ＭＴＣ＿ＣＮＴ，ＭＴＣ＿ＢＴＭは、ボートイン開始動作時点から急激に低下することなく、緩やかに上昇している。それはボートイン開始動作時点から所定のバイアス操作量が加算されるため、ＢＴＭヒータ９３の発熱量がバイアス操作量に対応する量だけ大きくなるからである。また、常温で熱容量の大きいボート２およびウェーハ３が炉内に導入されたことによる温度低下に応じて、各ゾーン用ＰＩＤ制御部２０１〜２０３は、所定の目標温度へ近づけるように各ヒータ９１〜９３の発熱量を増加する制御を行う。この制御により、各ヒータ９１〜９３付近に配置された各スパイク８１〜８３の測定温度ＰＴＣ＿ＴＯＰ，ＰＴＣ＿ＣＮＴ，ＰＴＣ＿ＢＴＭは緩やかに上昇する。約１０分後、各ヒータ９１〜９３の発熱量は減少するように制御され、また上記バイアス量も０に設定されるが、炉の時定数が大きいことにより測定温度ＭＴＣ＿ＴＯＰ，ＭＴＣ＿ＣＮＴ，ＭＴＣ＿ＢＴＭは目標温度を少しだけオーバーシュートする。もっとも、このオーバーシュート量は温度の整定に影響が出ない程度に十分に小さいため、ボートイン開始動作時点から３０分が経過した時点で、測定温度ＭＴＣ＿ＴＯＰ，ＭＴＣ＿ＣＮＴ，ＭＴＣ＿ＢＴＭは目標温度でほぼ整定されている。
【００３５】
このように、各ゾーン用ＰＩＤ制御部２０１〜２０３による温度制御に対してボトムゾーン用バイアス制御部２１３のバイアス操作量を加算する温度制御を行う方法により、炉内の温度が急激に下降し上昇する大きな温度変化が生じることがなく、またオーバーシュートにより炉内温度の整定が困難になることもない。
【００３６】
＜１．４　第１の実施形態の効果＞
以上のように上記第１の実施形態によれば、炉内にウェーハを導入する時点からボトムゾーン用バイアス制御部２１３によりバイアス操作量を加算する温度制御が行われる。この構成により、炉内にウェーハを導入する際に生じる炉内の温度変化を小さくすることができ、またその後のオーバーシュートを小さくして炉内温度の整定を短時間で行うことができる。
【００３７】
また、第１の実施形態によれば、各ゾーン用ＰＩＤ制御部２０１〜２０３により温度制御を行いつつ、同時にボトムゾーン用バイアス制御部２１３によりバイアス操作量を加算する温度制御を行う。この構成により、ＰＩＤ制御に代えて予め定められた固定のパターンのみを用いて制御を行う従来の構成では対応できない場合、すなわち導入すべきウェーハの大きさや数量に変動がある場合にも各ゾーン用ＰＩＤ制御部２０１〜２０３により適切な温度制御が行われるため、導入すべきウェーハの大きさや数量に変動がある場合にも、炉内にウェーハを導入する際に生じる炉内の温度変化を小さくすることができ、またその後のオーバーシュートを小さくして炉内温度の整定を短時間で行うことができる。
【００３８】
さらに、第１の実施形態によれば、ボトムゾーン用バイアス制御部２１３により予め定められた所定のバイアス操作量を予め定められた時間だけ加算する温度制御が行われる。この構成により、例えばＢＴＭヒータ９３が経年変化に基づく劣化により所定の制御信号Ｓｂに応じて加熱すべき発熱量を発生させることができなくなった場合においても適切な制御を行うために、バイアス操作量およびその加算時間の一方または双方を増加させるような変更を容易に行うことができる。このような変更は、例えば熱処理装置を使用する者に十分な専門知識がない場合であっても簡単に行うことができる。なお、上記ヒータの劣化以外の様々な環境要因が変化した場合であっても、上記変更を行うことにより容易に対応することができる。
【００３９】
また、第１の実施形態によれば、ボトムゾーン用バイアス制御部２１３が加算するバイアス操作量によりＢＴＭヒータ９３の発熱量のみが増加される。この構成により、各ヒータ９１〜９３の全ての発熱量が増加される構成よりも消費電力を小さくすることができる。
【００４０】
＜２．第２の実施形態＞
次に、本発明に係る熱処理装置の一例としての縦型熱処理装置を第２の実施形態として説明する。本発明の第２の実施形態に係る縦型熱処理装置の構成および動作は、上記第１の実施形態に係る縦型熱処理装置の構成および動作とほぼ同様であるが、第１の実施形態に係る温度制御部２０に代えて温度制御部２１を備える点が異なる。以下、この温度制御部２１の構成および動作について詳述する。
【００４１】
図５は、本実施形態に係る温度制御部２１の詳細な構成を示すブロック図である。この温度制御部２１は、図２に示す温度制御部２０の構成に対して、さらにセンタゾーン用バイアス制御部２１２と、加算器２２２とを含む点が異なる。
【００４２】
すなわち、各ゾーン用ＰＩＤ制御部２０１〜２０３は、熱処理装置の動作中に実行される各種処理に応じて設定される温度を目標値として各ゾーンの温度を熱処理装置の動作期間全てにわたって継続的に制御するが、ボトムゾーン用バイアス制御部２１３は、ボトムゾーン用ＰＩＤ制御部２０３から出力される第１の操作量に対して加算器２２３により加算されるべき所定の第１のバイアス操作量を一時的に出力し、センタゾーン用バイアス制御部２１２は、センタゾーン用ＰＩＤ制御部２０２から出力される操作量（以下「第２の操作量」と称する）に対して加算器２２２により加算されるべき所定のバイアス操作量（以下「第２のバイアス操作量」と称する）を一時的に出力する。
【００４３】
このように、第１の実施形態に係る構成に対してさらにセンタゾーン用バイアス制御部２１２を設けて第２のバイアス操作量を出力させるのは、炉１の下方からゆっくりと導入されるボート２およびウェーハ３がＢＴＭヒータ９３による熱を受けるだけでは十分ではない場合もあるからである。すなわち、ボトムゾーン１０３の直上に位置するセンタゾーン１０２においても、センタゾーン用バイアス制御部２１２によって第２のバイアス操作量を加算する温度制御を行う構成により、ボート２およびウェーハ３は、さらにＣＮＴヒータ９２により大きな熱量の熱を受けることができる。そのためセンタゾーン１０２においてもボート２およびウェーハ３の導入による温度低下が小さくなる。
【００４４】
このセンタゾーン用バイアス制御部２１２の動作は、ボトムゾーン用バイアス制御部２１３の動作と同様である。すなわち、センタゾーン用バイアス制御部２１２は、前述のシーケンス制御部３０からのボートイン開始信号Ｓｏが入力されると、所定の時点（例えばボートイン終了信号Ｓｓが入力される時点またはそれ以前の予め定められた時点）まで所定の第２のバイアス操作量を出力する。この第２のバイアス操作量は、予め定められた一定の値であっても、時間経過に応じて予め定められたように変化する所定の値であってもよい。この第２のバイアス操作量に対応するＣＮＴヒータ９２の発熱量の増加量は、第１のバイアス操作量に対応するＢＴＭヒータ９１の発熱量の増加量の２５％以下の値に設定されるのが好ましい。その理由を含めて以下、センタゾーン用バイアス制御部２１２の作用について詳述する。
【００４５】
図６は、本第２の実施形態に係るセンタゾーン用バイアス制御部２１２により出力される第２のバイアス操作量に対応するＣＮＴヒータ９２の発熱量の増加量が、ボトムゾーン用バイアス制御部２１３から出力される第１のバイアス操作量に対応するＢＴＭヒータ９１の発熱量の増加量の３０％の値に設定される場合の各ゾーンの測定温度を示すグラフである。なお、ボートイン開始動作は時刻０分の時点において始まる。
【００４６】
図６を参照すると、ウェーハ３近傍に設置される各プロファイル７１〜７３の測定温度ＭＴＣ＿ＴＯＰ，ＭＴＣ＿ＣＮＴ，ＭＴＣ＿ＢＴＭは、ボートイン開始動作時点から緩やかに上昇する。それはボートイン開始動作時点から第１および第２のバイアス操作量が加算されるため、ＢＴＭヒータ９３およびＣＮＴヒータ９２の発熱量がこれらのバイアス操作量に対応する量だけ大きくなるからである。その後、各ヒータ９１〜９３の発熱量は減少するように制御されるが、炉の時定数が大きいことにより測定温度ＭＴＣ＿ＴＯＰ，ＭＴＣ＿ＣＮＴ，ＭＴＣ＿ＢＴＭは目標温度を１０度以上オーバーシュートする。その結果、ボートイン開始動作時点から２０分が経過した時点でも、測定温度ＭＴＣ＿ＴＯＰ，ＭＴＣ＿ＣＮＴ，ＭＴＣ＿ＢＴＭは目標温度近傍で安定した値をとることはない。なお、測定温度ＭＴＣ＿ＢＴＭが特に目標温度より高い値を示すのは、センタゾーン１０２からの大きな熱干渉を受けているためと考えられる。このように、ＣＮＴヒータ９２の発熱量の増加量がＢＴＭヒータ９１の発熱量の増加量の３０％の値に設定される場合には、炉内の温度が１０度以上上昇する大きな温度変化が生じ、また大きなオーバーシュートのため炉内温度の整定が困難になり、処理時間が長くかかることになる。
【００４７】
これらの問題点は、ＣＮＴヒータ９２の発熱量の増加量がＢＴＭヒータ９１の発熱量の増加量の３０％以上の値に設定される場合にはさらに大きくなることが明らかであるから、上記値を許容される限界値まで下げることにより解決される。以下、上記限界値について、図７に示す具体例を用いて説明する。
【００４８】
図７は、本第２の実施形態に係るセンタゾーン用バイアス制御部２１２により出力される第２のバイアス操作量に対応するＣＮＴヒータ９２の発熱量の増加量が、ボトムゾーン用バイアス制御部２１３から出力される第１のバイアス操作量に対応するＢＴＭヒータ９１の発熱量の増加量の２５％の値に設定される場合の各ゾーンの測定温度を示すグラフである。なお、ボートイン開始動作は時刻０分の時点において始まる。図７を参照すると、ウェーハ３近傍に設置される各プロファイル７１〜７３の測定温度ＭＴＣ＿ＴＯＰ，ＭＴＣ＿ＣＮＴ，ＭＴＣ＿ＢＴＭは、ボートイン開始動作時点から緩やかに上昇する。その後、各ヒータ９１〜９３の発熱量は減少するように制御されるが、炉の時定数が大きいことにより測定温度ＭＴＣ＿ＴＯＰ，ＭＴＣ＿ＣＮＴ，ＭＴＣ＿ＢＴＭは目標温度を８〜１０度オーバーシュートする。もっとも、このオーバーシュート量は温度の整定に影響が出ない程度に十分に小さいため、ボートイン開始動作時点から２０分が経過した時点で、測定温度ＭＴＣ＿ＴＯＰ，ＭＴＣ＿ＣＮＴ，ＭＴＣ＿ＢＴＭは目標温度でほぼ整定されている。
【００４９】
このように、ＣＮＴヒータ９２の発熱量の増加量がＢＴＭヒータ９１の発熱量の増加量の２５％の値に設定される場合には、炉内の温度が８〜１０度上昇するものの許容しうる範囲の温度変化であり、またオーバーシュートにより炉内温度の整定が困難になることもない。さらに、ＣＮＴヒータ９２の発熱量の増加量がＢＴＭヒータ９１の発熱量の増加量の２５％以下の値に設定される場合にはさらに温度変化が小さくなり、炉内温度の整定が容易になることは明らかである。したがって、センタゾーン用バイアス制御部２１２により出力される第２のバイアス操作量に対応するＣＮＴヒータ９２の発熱量の増加量は、第１のバイアス操作量に対応するＢＴＭヒータ９１の発熱量の増加量のほぼ２５％以下の値に設定されるのが好ましいといえる。
【００５０】
＜３．変形例＞
上記各実施形態では、各ゾーンにおける温度制御は別個に行われるように構成される。しかし、各ゾーン間の熱干渉を考慮して一体的に行われるように構成されてもよい。また、各ゾーンにおける温度制御はＰＩＤ制御により行われるように構成されるが、所定の規則を用いたファジー制御など、設定された目標温度に整定させるような温度制御を行うことができる制御方法であればどのような制御方法であってもよい。
【００５１】
上記各実施形態では、３つのゾーン（トップゾーン１０１、センタゾーン１０２、およびボトムゾーン１０３）における温度制御を行う構成であるが、ゾーンの数は２つであってもよいし、４つであっても、それ以上であってもよい。
【００５２】
上記各実施形態では、温度制御部２０が各ヒータ９１〜９３に対して制御信号Ｓｔ，Ｓｃ，Ｓｂを与えてヒータ内部の発熱体に供給すべき電力を制御する構成であるが、温度制御部２０が発熱体に供給すべき電力を各ヒータ９１〜９３に対して直接与えるように構成されてもよい。
【００５３】
上記各実施形態では、バイアス操作量を加算する期間の始期はボートイン開始信号Ｓｏの入力時であるが、炉１の下方からゆっくりと導入されるボート２およびウェーハ３が通常より大きな熱量の熱を受けることができればよいので、ボートイン開始動作の開始時点近傍の所定の時点であってもよい。また、上記第２の実施形態では、ボトムゾーン用バイアス制御部２１３とセンタゾーン用バイアス制御部２１２とのバイアス操作量の加算開始時点は同時であるように構成されるが、ボートイン開始動作の開始時点近傍の互いに異なる所定の時点であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る縦型熱処理装置の構成を示す模式図である。
【図２】上記第１の実施形態に係る温度制御部の詳細な構成を示すブロック図である。
【図３】上記第１の実施形態に係るボトムゾーン用バイアス制御部が動作していない場合の各ゾーンの測定温度を示すグラフである。
【図４】上記第１の実施形態に係るボトムゾーン用バイアス制御部が動作している場合の各ゾーンの測定温度を示すグラフである。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る温度制御部の詳細な構成を示すブロック図である。
【図６】上記第２の実施形態に係るＣＮＴヒータの発熱量の増加量がＢＴＭヒータの発熱量の増加量の３０％に設定される場合の各ゾーンの測定温度を示すグラフである。
【図７】上記第２の実施形態に係るＣＮＴヒータの発熱量の増加量がＢＴＭヒータの発熱量の増加量の２５％に設定される場合の各ゾーンの測定温度を示すグラフである。
【符号の説明】
１　　…炉
２　　…ボート
３　　…ウェーハ
４　　…反応管
５　　…ガス導入口
６　　…ガス排出口
１０　…下部蓋
２０　…温度制御部
３０　…シーケンス制御部
７１　…ＴＯＰプロファイル
７２　…ＣＮＴプロファイル
７３　…ＢＴＭプロファイル
８１　…ＴＯＰスパイク
８２　…ＣＮＴスパイク
８３　…ＢＴＭスパイク
９１　…ＴＯＰヒータ
９２　…ＣＮＴヒータ
９３　…ＢＴＭヒータ
１０１　…トップ（ＴＯＰ）ゾーン
１０２　…センタ（ＣＮＴ）ゾーン
１０３　…ボトム（ＢＴＭ）ゾーン
２０１　…トップゾーン用ＰＩＤ制御部
２０２　…センタゾーン用ＰＩＤ制御部
２０３　…ボトムゾーン用ＰＩＤ制御部
２１２　…センタゾーン用バイアス制御部
２１３　…ボトムゾーン用バイアス制御部
２２２，２２３　…加算器
ＰＴＣ＿ＴＯＰ，ＰＴＣ＿ＣＮＴ，ＰＴＣ＿ＢＴＭ，
ＭＴＣ＿ＴＯＰ，ＭＴＣ＿ＣＮＴ，ＭＴＣ＿ＢＴＭ　…測定温度
Ｓｔ，Ｓｃ，Ｓｂ　…制御信号
Ｓｏ　…ボートイン開始信号
Ｓｓ　…ボートイン終了信号
【図１】
2004006447.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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