(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理体を収容する反応管と、前記反応管の周囲に配置された複数のヒータと、前記反応管の内部に配置され、前記反応管の内部の処理雰囲気の温度を測定する複数の内部温度センサと、前記反応管の外部に配置され、反応管の外部の温度を測定する複数の外部温度センサと、を備える加熱炉と、
前記内部温度センサ及び外部温度センサの実測温度及び前記複数のヒータへの供給電力と前記被処理体の温度との関係と、前記内部温度センサ及び外部温度センサの実測温度及び前記複数のヒータへの供給電力と前記内部温度センサの温度との関係と、を表す数学モデルを記憶するメモリと、
前記内部温度センサ及び外部温度センサの実測温度及び前記複数のヒータへの供給電力を、前記数学モデルに適用して、前記被処理体の温度を推定する第１の温度推定部と、
前記内部温度センサ及び外部温度センサの実測温度及び前記複数のヒータへの供給電力を、前記数学モデルに適用して、前記内部温度センサの温度を推定する第２の温度推定部と、
前記内部温度センサの実測温度と、前記第２の温度推定部が推定した前記内部温度センサの推定温度とを比較し、比較結果に基づいて、前記第１の温度推定部が推定した前記被処理体の推定温度を校正する校正部と、
前記校正部により校正された前記被処理体の推定温度と、予め設定された目標温度との差が小さくなるように、前記複数のヒータを制御する制御手段と、
を備える、ことを特徴とするバッチ式熱処理装置。
【請求項２】
前記校正部は、前記第２の温度推定部が推定した前記内部温度センサの推定温度と前記内部温度センサの実測温度との関係を求め、この関係に、前記第１の温度推定部が推定した前記被処理体の推定温度を適用し、出力として校正後の前記被処理体の推定温度を得る、ことを特徴とする請求項１に記載のバッチ式熱処理装置。
【請求項３】
前記校正部は、前記第２の温度推定部が推定した前記内部温度センサの推定温度を基準とした時の、前記内部温度センサの実測温度のオフセットを求め、前記第１の温度推定部が推定した前記被処理体の推定温度に該オフセットを加算することにより、校正後の前記被処理体の推定温度を得る、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のバッチ式熱処理装置。
【請求項４】
前記校正部は、前記第２の温度推定部が推定した推定温度に対する前記内部温度センサの実測温度の倍率を求め、第１の温度推定部が推定した推定温度にこの倍率を乗算することにより、校正後の前記被処理体の推定温度を得る、ことを特徴とする請求項１、２又は３に記載のバッチ式熱処理装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記被処理体の目標温度の変化を示すレシピを記憶するレシピ記憶手段を備え、前記校正部により校正された前記被処理体の推定温度が前記レシピ記憶手段に記憶されたレシピが示す目標温度に従って変化するように、前記複数のヒータを制御する、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のバッチ式熱処理装置。
【請求項６】
前記レシピ記憶手段は、前記反応管内の、前記被処理体の配列方向の複数のゾーン別にレシピを記憶し、前記制御手段は、各ゾーンのレシピに従って、そのゾーンに属する被処理体の推定温度がレシピが示す温度に一致するように、前記複数のヒータを制御する、
ことを特徴とする請求項５に記載のバッチ式熱処理装置。
【請求項７】
前記制御手段は、各前記ゾーンの前記被処理体の前記校正部により校正された推定温度と対応するレシピが指示する温度の差が、ゾーン全体として最小となるように、前記複数のヒータを制御する、
ことを特徴とする請求項６に記載のバッチ式熱処理装置。
【請求項８】
被処理体を収容する反応管と、前記反応管の周囲に配置された複数のヒータと、前記反応管の内部に配置された複数の内部温度センサと、前記反応管の外部に配置された複数の外部温度センサと、を備えるバッチ式熱処理装置の制御方法であって、
前記内部温度センサ及び外部温度センサの実測温度及び前記複数のヒータへの供給電力を、前記内部温度センサ及び外部温度センサの実測温度及び前記複数のヒータへの供給電力と前記被処理体の温度との関係を表す数学モデルに適用して、前記被処理体の温度を推定し、
前記内部温度センサ及び外部温度センサの実測温度及び前記複数のヒータへの供給電力を、前記内部温度センサ及び外部温度センサの実測温度及び前記ヒータへの供給電力と前記内部温度センサの温度との関係を表す数学モデルに適用して、前記内部温度センサの温度を推定し、
前記内部温度センサの実測温度と、推定した前記内部温度センサの推定温度とを比較し、比較結果に基づいて、推定した前記被処理体の推定温度を校正し、
校正された推定温度に従って、前記複数のヒータを制御する、
ことを特徴とするバッチ式熱処理装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハ等の被処理体を多数枚一括して熱処理するバッチ式熱処理装置に関し、特に、収容している半導体ウエハの温度を推定し、推定結果に基づいて、最適な制御を行う適応制御型のバッチ式熱処理装置及びその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
多数の半導体ウエハに対して成膜処理、酸化処理あるいは拡散処理などの熱処理を一括して行うバッチ式熱処理装置として、横型熱処理装置や縦型熱処理装置が知られており、最近では、大気の巻き込みが少ない等の理由から縦型熱処理装置が主流になりつつある。
【０００３】
図４は、縦型熱処理装置の外観を示す図であり、この装置は、縦型の加熱炉１１と、ウエハ保持具であるウエハボート１２とを備えている。加熱炉１１は、縦型の反応管の周囲にヒータを設けて構成され、ガス供給管１１ａ及び排気管１１ｂが接続されている。
【０００４】
ウエハボート１２は、複数の支柱１３を備え、各支柱１３に形成された溝にウエハＷの周縁部を支持することにより、被処理体である多数枚のウエハＷが所定のピッチで棚状に保持されるように構成される。ウエハボート１２は、多数枚のウエハＷを保持した後に、ボートレベータにより加熱炉１１の下方開口部を通じて加熱炉１１内に搬入され、ウエハＷに対して所定の熱処理が行われる。
【０００５】
このような熱処理装置の制御系においては、例えば、成膜すべき薄膜の種類、膜厚などに応じて、処理温度、処理圧力、ガス流量などの処理条件（処理パラメータの目標値）が決められており、これら処理条件を書き込んだレシピが複数用意されている。そして、各オペレータが薄膜の種類及び膜厚に応じたレシピを選択することにより、予め定められた処理条件に基づいて熱処理装置が運転される。
【０００６】
熱処理装置は、処理温度、処理圧力、ガス流量などの処理条件がレシピに定められた目標値に一致させるように制御しながら、処理を行う。
これらの処理を適切に行うため、ウエハの温度、加熱炉内の圧力、ガス流量などを測定する必要がある。
【０００７】
加熱炉内の圧力は、圧力計により、ガス流量は、供給管に配置された流量計を含むマスフローコントローラ等により、比較的正確に測定が可能である。
しかし、ウエハの温度については、測定が困難である。
例えば、ウエハに温度センサを装着して加熱炉内に収納する手法も考えられるが、温度センサ装着箇所に半導体素子を形成することができず、さらに、加熱炉内全体を汚染し、半導体装置の歩留まりを低下させる虞がある。
また、ウエハの周囲の雰囲気の温度を測定することも考えられるが、この手法では、ウエハの温度を正確に測定することができない。
【０００８】
これらの問題を解決できる技術が、例えば、米国特許第５，５１７，５９４号公報に開示されている。この技術は、加熱炉に複数の温度センサを配置し、この温度センサの出力と、ヒータへの供給電力などに基づいて、数字モデルを用いてウエハの温度を刻一刻と推定し、推定値を用いて、ヒータ電力を制御する技術である。
この技術によれば、金属汚染などを引き起こすことなく、ウエハの温度を比較的正確に非接触で測定（推定）して、熱処理装置を制御することができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
この技術によっても、例えば、実際の装置と数学モデルを作成する際に使用した装置や環境の差異、さらには、プロセスの差異等により、数学モデルにより推定（計算）される温度が実際の温度とずれてしまう場合がある。この場合には、誤ったウエハ温度に基づいてヒータ電力を制御することになり、所望の処理をウエハに施すことができない。
【００１０】
本発明は、このような事情の下に成されたものであり、数学モデルを用いて被処理体の温度を推定し、推定した温度に基づいて、熱処理を行う熱処理装置及びその制御方法において、正確な温度を推定可能とすることにある。
また、本発明は、信頼性と歩留まりに優れた半導体装置を製造することができるバッチ式熱処理装置及びその制御方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明の第１の観点に係るバッチ式熱処理装置は、
被処理体を収容する反応管と、前記反応管の周囲に配置された複数のヒータと、前記反応管の内部に配置され、前記反応管の内部の処理雰囲気の温度を測定する複数の内部温度センサと、前記反応管の外部に配置され、反応管の外部の温度を測定する複数の外部温度センサと、を備える加熱炉と、
前記内部温度センサ及び外部温度センサの実測温度及び前記複数のヒータへの供給電力と前記被処理体の温度との関係と、前記内部温度センサ及び外部温度センサの実測温度及び前記複数のヒータへの供給電力と前記内部温度センサの温度との関係と、を表す数学モデルを記憶するメモリと、
前記内部温度センサ及び外部温度センサの実測温度及び前記複数のヒータへの供給電力を、前記数学モデルに適用して、前記被処理体の温度を推定する第１の温度推定部と、
前記内部温度センサ及び外部温度センサの実測温度及び前記複数のヒータへの供給電力を、前記数学モデルに適用して、前記内部温度センサの温度を推定する第２の温度推定部と、
前記内部温度センサの実測温度と、前記第２の温度推定部が推定した前記内部温度センサの推定温度とを比較し、比較結果に基づいて、前記第１の温度推定部が推定した前記被処理体の推定温度を校正する校正部と、
前記校正部により校正された前記被処理体の推定温度と、予め設定された目標温度との差が小さくなるように、前記複数のヒータを制御する制御手段と、
を備える、ことを特徴とする。
【００１３】
前記校正部は、例えば、前記第２の温度推定部が推定した前記内部温度センサの推定温度と前記内部温度センサの実測温度との関係ｆを求め、この関係ｆに、前記第１の温度推定部が推定した前記被処理体の推定温度を適用し、出力として校正後の前記被処理体の推定温度を得る。
【００１４】
具体的には、前記校正部は、例えば、前記第２の温度推定部が推定した内部温度センサの推定温度を基準とした時の、前記内部温度センサの実測温度のオフセット（例えば、オフセット＝実測温度−推定温度）を求め、第１の温度推定部が推定した被処理体の推定温度に該オフセットを加算することにより、校正後の前記被処理体の推定温度を得る。
【００１５】
また、前記校正部は、例えば、前記第２の温度推定部が推定した推定温度に対する前記内部温度センサの実測温度の倍率ｋ（ｋ＝実測値／推定値）を求め、前記第１の温度推定部が推定した推定温度にこの倍率ｋを乗算することにより、校正後の前記被処理体の推定温度を得てもよい。
【００１６】
前記制御手段は、前記被処理体の目標温度の変化を示すレシピを記憶するレシピ記憶手段を備え、前記校正部により校正された被処理体の推定温度が前記レシピ記憶手段に記憶されたレシピが示す目標温度に従って変化するように、前記複数のヒータを制御する。
【００１７】
前記レシピ記憶手段は、前記反応管内の、前記被処理体の配列方向の複数のゾーン別に、レシピを記憶し、前記制御手段は、各ゾーンのレシピに従って、そのゾーンに属する被処理体の推定温度がレシピが示す温度に一致するように、前記複数のヒータを制御する。
【００１８】
前記制御手段は、例えば、各前記ゾーンの前記被処理体の前記校正部により校正された推定温度と対応するレシピが指示する温度の差が、ゾーン全体として最小となるように、前記複数のヒータを制御する。
【００１９】
上記目的を達成するため、この発明の第２の観点に係るバッチ式熱処理装置の制御方法は、
被処理体を収容する反応管と、前記反応管の周囲に配置された複数のヒータと、前記反応管の内部に配置された複数の内部温度センサと、前記反応管の外部に配置された複数の外部温度センサと、を備えるバッチ式熱処理装置の制御方法であって、
前記内部温度センサ及び外部温度センサの実測温度及び前記複数のヒータへの供給電力を、前記内部温度センサ及び外部温度センサの実測温度及び前記複数のヒータへの供給電力と前記被処理体の温度との関係を表す数学モデルに適用して、前記被処理体の温度を推定し、
前記内部温度センサ及び外部温度センサの実測温度及び前記複数のヒータへの供給電力を、前記内部温度センサ及び外部温度センサの実測温度及び前記ヒータへの供給電力と前記内部温度センサの温度との関係を表す数学モデルに適用して、前記内部温度センサの温度を推定し、
前記内部温度センサの実測温度と、推定した前記内部温度センサの推定温度とを比較し、比較結果に基づいて、推定した前記被処理体の推定温度を校正し、
校正された推定温度に従って、前記複数のヒータを制御する、
ことを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明のバッチ式熱処理装置を縦型熱処理装置に適用した実施の形態について説明する。
この縦型熱処理装置は、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の下側には金属性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に支持されている。外管２ｂは有天井に形成され、下端がマニホールド２１の上端に気密に接合されている。
【００２１】
反応管２内には、多数枚、例えば、１５０枚の被処理体を成すウエハＷ（製品ウエハ）が水平な状態で、上下に間隔をおいてウエハ保持具であるウエハボート２３に棚状に配置されている。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。
【００２２】
反応管２の周囲には、例えば、抵抗体より成るヒータ３が設けられている。ヒータ３は、５段に配置されたヒータ３１〜３５から構成される。ヒータ３１〜３５には、電力コントローラ３６〜４０より、それぞれ独立して電力が供給される。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。
ヒータ３１〜３５により、反応管内は、図３（ａ）に示すように５つのゾーンに分けられている。
【００２３】
また、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、理解を容易にするため、３本のガス供給管４１，４２，４３を示している。各ガス供給管４１，４２，４３には、ガス流量を調整するためのマスフローコントローラ（ＭＦＣ）などの流量調整部４４，４５，４６を介してジクロルシラン、アンモニア、窒素がそれぞれ供給される。さらにマニホールド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が接続されている。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には、反応管２内の圧力を調整するための、コンビネーションバルブ、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。
【００２４】
内管２ａの内面には、垂直方向に一列に５つの熱電対（温度センサ）Ｓin1〜Ｓin5が配置されている。熱電対Ｓin1〜Ｓin5は、半導体ウエハＷの金属汚染を防止するため、例えば、石英のパイプ等によりカバーされており、図３（ａ）に示す５つのゾーンに対応してそれぞれ配置されている。
【００２５】
また、外管２ｂの外面には、垂直方向に一列に複数の熱電対（温度測定部）Ｓout1〜Ｓout5が配置されている。熱電対Ｓout1〜Ｓout5も、図３（ａ）に示す５つのゾーンに対応して、それぞれ配置されている。
【００２６】
この縦型熱処理装置は、反応管２内の処理雰囲気の温度、ガス流量、圧力といった処理パラメータを制御するための制御部１００を備えている。この制御部１００は、熱電対Ｓin1〜Ｓin5とＳout1〜Ｓout5の出力信号を取り込み、ヒータ３１〜３５に接続された電力コントローラ３６〜４０、圧力調整部２８、流量調整部４４〜４６に制御信号を出力する。
【００２７】
図２は、制御部１００の構成を示す。
図２に示すように、制御部１００は、モデル記憶部１１１と，レシピ記憶部１１２と、ＲＯＭ１１３と、ＲＡＭ１１４と，Ｉ／Ｏポート１１５と、ＣＰＵ１１６と、これらを相互に接続するバス１１７とから構成される。
【００２８】
モデル記憶部１１１には、モデルＭが記憶されている。
モデルＭは、熱電対Ｓin1〜Ｓin5とＳout1〜Ｓout5の出力信号（測定温度）及びヒータ３１〜３５への供給電力（ヒータ31〜35に接続された電力コントローラ36〜40への制御信号に対応）からウエハボート２３に載置されている各ゾーンのウエハＷの温度と熱電対Ｓin1〜Ｓin5の温度を推定し、さらに、推定した温度を目標値に設定するためにヒータ３１〜３５に供給すべき電力を指示するために設計されたモデル（数学モデル；高次・多次元関数）を記憶している。
このモデルＭは、例えば、温度帯域別に用意されている。
【００２９】
レシピ記憶部１１２には、この熱処理装置で実行される成膜処理の種類に応じて、制御手順を定めるレシピが複数種類記憶されている。各レシピは、図３（ｂ）に示すような、ゾーン別に設定された温度レシピを含んでいる。
【００３０】
ＲＯＭ１１３は、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリ、ハードディスクなどから構成され、ＣＰＵ１１６の動作プログラム等を記憶する記録媒体である。
ＲＡＭ１１４は、ＣＰＵ１１６のワークエリアなどとして機能する。
Ｉ／Ｏポート１１５は、熱電対Ｓin1〜Ｓin5及びＳout1〜Ｓout5の測定信号をＣＰＵ１１６に供給すると共に、ＣＰＵ１１６が出力する制御信号を各部へ出力する。また、Ｉ／Ｏポート１１５には、操作パネル１１８が接続されている。
バス１１７は、各部の間で情報を伝達する。
【００３１】
ＣＰＵ１１６は、ＤＳＰなどでもよく、ＲＯＭ１１３に記憶された制御プログラムを実行し、操作パネル１１８からの指示に従って、レシピ記憶部１１２に記憶されているレシピに沿って、熱処理装置の動作を制御する。
【００３２】
具体的には、ＣＰＵ１１６は、モデル記憶部１１１に記憶されているモデルＭを読み出し、また、レシピ記憶部１１２に記憶されている複数のレシピの内から該当するものを選択して読み出す。そして、レシピに従って処理動作を実行する。
【００３３】
特に、この実施の形態においては、ＣＰＵ１１６は、熱電対Ｓin1〜Ｓin5及びＳout1〜Ｓout5からの測定値及び電力コントローラ３６〜４０への指示値（ヒータ３１〜３５への供給電力の値）等を取り込んで、モデルＭにより、ゾーン１〜ゾーン５のウエハＷの温度と熱電対Ｓin1〜Ｓin5の温度を推定する。
【００３４】
さらに、熱電対Ｓin1〜Ｓin5の推定温度ＴＥsin1〜ＴＥsin5と熱電対Ｓin1〜Ｓin5が実際に測定した温度（自己の温度）ＴＲsin1〜ＴＲsin5とを比較し、両者の関係を求め、この関係を適用して、ウエハの推定温度ＴＥｗ1〜ＴＥｗ5を校正する。
そして、校正したウエハ温度Ｔｗ1〜Ｔｗ5が、温度レシピが指示する値に一致するように、電力コントローラ３６〜４０に、供給電力を指示する。
【００３５】
また、ＣＰＵ１１６は、通常の熱処理装置の制御と同様に、流量コントローラ４４〜４６への指示、圧力調整部２８への指示なども行う。
【００３６】
次に、上記構成のバッチ式熱処理装置による成膜処理について説明する。
まず、ウエハボート２３に、製品ウエハ（処理対象のウエハ）Ｗが載置される。
このウエハボート２３が反応管２内にロードされると、オペレータは、処理の開始を操作パネル１１８より指示する。ＣＰＵ１１６は、指示に応答し、モデルＭとレシピをモデル記憶部１１１とレシピ記憶部１１２からそれぞれ読み出す。
【００３７】
次に、読み出したレシピに従って、ヒータ３に通電して昇温を開始する。さらに、ＣＰＵ１１６は、熱電対Ｓin1〜Ｓin5及びＳout1〜Ｓout5の出力信号、及びヒータ電力（電力コントローラ36〜40への制御信号に対応）を、読み出したモデルＭに適用し、上段（ゾーン１）、中上段（ゾーン２）、中段（ゾーン３）、中下段（ゾーン４）、下段（ゾーン５）の５つのゾーンのウエハの温度ＴＥｗ1〜ＴＥｗ5と、熱電対Ｓin1〜Ｓin5の温度ＴＥsin1〜ＴＥsin5とを推定（計算）する。
【００３８】
ＣＰＵ１１６は、推定した熱電対Ｓin1〜Ｓin5の温度ＴＥsin1〜ＴＥsin5と熱電対Ｓin1〜Ｓin5の出力信号が示す温度（実測値）ＴＲsin1〜ＴＲsin5とを比較し、比較結果に基づいて、ウエハの推定温度ＴＥｗ1〜ＴＥｗ5を校正する。
【００３９】
校正手法は任意である。例えば、ＴＲsinm＝ｆm（ＴＥsinm）（但し、ｍは１，２，３，４，５）の関係が成立する関数ｆmを求め、この関数ｆm内のＴＥsinmとして、推定したウエハ温度ＴＥｗmを代入し、ｆm（ＴＥｗm）を校正されたウエハ温度とすることが可能である。
【００４０】
具体的には、例えば、熱電対Ｓin1〜Ｓin5の実測温度ＴＲsin1〜ＴＲsin5が、推定温度ＴＥsin1〜ＴＥsin5に、所定のオフセット値Δoffset1〜Δoffset5を加算したような値である場合には、ウエハの推定温度ＴＥｗ1〜ＴＥｗ5をＴＥｗ1＋Δoffset1〜ＴＥｗ5＋Δoffset5に修正して校正する。
また、例えば、熱電対Ｓin1〜Ｓin5の実測温度ＴＲsin1〜ＴＲsin5が推定温度ＴＥsin1〜ＴＥsin5に、所定の係数(倍率）ｋ1〜ｋ5を乗算したような値である場合には、ウエハの推定温度ＴＥｗ1〜ＴＥｗ5をｋ1〜ｋ5倍するように修正して校正する。
【００４１】
さらに、数式１に示すような関係が成立するような場合には、数式２に示すように、校正を行ってもよい。
【数１】
ＴＲsinm＝ｋm・ＴＥsinm−Δoffsetm
【数２】
Ｔｗm＝ｋm・ＴＥｗm−Δoffsetm
【００４２】
なお、係数ｋ1〜ｋ5、オフセットΔoffset1〜Δoffset5を求める手法は任意であり、例えば、ノイズの影響を除去するために、ＴＲsin1〜ＴＥsin5、及びＴＥsin1〜ＴＥsin5を積分して、係数ｋやオフセットΔoffsetを求めてもよい。
【００４３】
次に、このようにして校正したウエハ温度が全体として温度レシピが設定している温度の組み合わせに最も近づくように、刻一刻とヒータ３１〜３５に供給する電力を電力コントローラ３６〜４０を介して制御する。即ち、校正したウエハ温度に基づいて、ウエハ温度を適応（アダプティブ）制御する。
【００４４】
例えば、時刻ｔにおける５つのゾーンのウエハの校正済温度がＴｗt1、Ｔｗt2、Ｔｗt3、Ｔｗt4、Ｔｗt5であると計算され、レシピが指示する温度がＴt1、Ｔt2、Ｔt3、Ｔt4、Ｔt5である場合には、校正済温度と目標温度（レシピ指示温度）との差が全体として最も小さくなるように制御が行われる。例えば、最小２乗法を用いて、（Ｔｗt1−Ｔt1）２＋（Ｔｗt2−Ｔt2）２＋（Ｔｗt3−Ｔt3）２＋（Ｔｗt4−Ｔt4）２＋（Ｔｗt5−Ｔt5）２が最小になるように、ヒータ３１〜３５に供給する電力を個々に制御する。
【００４５】
表現を変えれば、熱電対Ｓin1〜Ｓin5及びＳout1〜Ｓout5の出力信号及びヒータ３１〜３５の電力に従って、各ゾーンのウエハＷの温度を刻一刻と推測し、さらにこれを校正し、校正後のウエハ温度Ｔｗ1〜Ｔｗ5が、予め定められているレシピが指定する温度となるよう５つのヒータ３１〜３５を個別に適応制御（アダプティブ制御）する。
【００４６】
昇温が終了すると、各ゾーン（上段、中上段、中段、中下段、下段）の温度をそれぞれ一定に維持するように適応制御を続ける。温度レシピが、図３（ｂ）に示す軌道であるとすると、ＣＰＵ１１６は、校正後のウエハ温度Ｔｗ1〜Ｔｗ5が、上段（ゾーン１）が８５２℃、中上段（ゾーン２）が８５０℃、中段（ゾーン３）が８４９℃、中下段（ゾーン４）が８４８℃、下段（ゾーン５）が８４６℃となるように制御する。
【００４７】
反応管２内の温度が安定するのに十分な時間が経過すると、反応管２に処理ガスを供給し、成膜を開始する。成膜処理の間も、上段、中上段、中段、中下段、下段の各ゾーンのウエハＷの温度が全体として温度レシピの設定温度に最も近づくように温度制御を行う。
このため、上段、中上段、中段、中下段、下段の各ゾーンのウエハＷは、見かけ上、異なる温度で成膜処理が成される。ただし、モデル及びレシピが、均一な膜が形成できるように調整された値（成膜ガスの濃度や、ウエハの処理枚数や配置のばらつきの影響などを、熱に換算して調整された値）であるので、面間及び面内で比較的均一な厚さの膜が成長する。
【００４８】
成膜が終了すると、成膜ガスの供給を停止して、反応管２内を冷却する。冷却時にも、必要に応じて、ウエハの温度を推定し、さらに、推定値を校正する。処理完了後、処理済のウエハボート２３をアンロードする。
【００４９】
このバッチ式熱処理装置では、制御部１００内に、ウエハWの温度と温度センサＳin1〜Ｓin5の温度とを推定するためのモデルとレシピが予め用意されている。従って、何らかの原因により、制御部１００が推定するウエハ温度が実際の温度からずれてしまう場合でも、そのずれを校正して、校正済みのウエハ温度を用いて、適応制御により適切に成膜処理（熱処理）を行うことができる。この適応制御により、ヒータ３を適切に制御することができる。
【００５０】
また、膜厚が面間及び面内で均一となるように温度レシピがゾーン毎に調整されているので、ガスの流れ、ガス密度の分布、温度勾配等による膜厚の差の発生を抑えることができる。
【００５１】
また、Δoffset1〜Δoffset5の平均値Δｔaveや係数ｋ1〜ｋ5の平均値ｋaveを求め、推測したウエハの温度ＴＥｗmを、例えば、ｋave・ＴＥｗm−ΔＴaveに修正して校正してもよい。
【００５２】
次に、モデルとレシピの設計手法について、説明する。
モデルは、熱電対Ｓin1〜Ｓin5及びＳout1〜Ｓout5の出力（測定値）及びヒータ３１〜３５への供給電力などから、各ゾーンのウエハＷの温度を推測し、さらに、推測した５つの温度を全体として目的温度に近接させるために、ヒータ３１〜３５に供給する電力を特定可能な数学モデルであるならば任意のモデル（多変数、多次元、多出力関数）を利用可能である。
このようなモデルとしては、例えば、米国特許第５，５１７，５９４号公報に開示されたモデルを使用することができる。
【００５３】
以下、米国特許第５，５１７，５９４号公報に開示されたモデルを例に説明する。
まず、図１に示す熱処理装置に、中心と中心から例えば６mm離れた位置とに熱電対ＳwcとＳweを組み込んだ５枚のテスト用ウエハを用意する。次に、これらの５枚のテスト用ウエハが、図３（ａ）の５つのゾーンに１つずつ位置するように、テスト用ウエハと通常のウエハとをウエハボート２３に載置する。次に、このウエハボート２３を反応管２にロードする。次に、ヒータ３１〜３５に高周波帯域の信号及び低周波帯域の信号を印加し、熱電対Ｓin1〜Ｓin5及びＳout1〜Ｓout5の出力、テスト用ウエハ上の熱電対ＳwcとＳweの出力（ウエハ温度）、ヒータに供給される電流などのデータを、例えば、１〜５秒のサンプリング周期で取得する。
【００５４】
次に、一定の温度範囲、例えば４００℃〜１１００℃の範囲で、１００℃間隔で温度帯域を設定する（広温度帯域を１つのモデルでカバーすると温度の推定などが不正確になってしまうため）。
取得したデータから、各温度帯域について、数式３に示すＡＲＸ（自動回帰）モデルを設定する。
【００５５】
【数３】
ｙｔ＋ＡＡ１ｙｔ−１＋ＡＡ２ｙｔ−２＋...＋ＡＡｎｙｔ−ｎ
＝ＢＢ１ｕｔ−１＋ＢＢ２ｕｔ−２＋...＋ＢＢｎｕｔ−ｎ ＋ｅｔ
ｙｔ：時点ｔでの以下の内容を成分とするｐ行１列のベクトル
内容：熱電対Ｓin1〜Ｓin5の出力の平衡温度ｙbiasからの変動量（この例では５成分）、熱電対Ｓout1〜Ｓout5の出力の平衡温度ｙbiasからの変動量（この例では５成分）、ウエハの中心部にセットした熱電対Ｓwcの出力の平衡温度ｙbiasからの変動量（この例では５つ）、ウエハの周縁部にセットした熱電対Ｓweの出力の平衡温度ｙbiasからの変動量（この例では５つ）。従って、この例では、ｙｔは２０行１列のベクトルとなる。
ｕｔ：時点ｔでのヒータ電力平衡値ｕbiasからの変動量を成分とするｍ行１列のベクトル（この例では、ヒータが５ゾーンのため、５行１列）。
ｅｔ：ホワイトノイズを成分とするｍ行１列のベクトル。
ｎ：遅れ（例えば８）。
ＡＡ１〜ＡＡｎ：ｐ行ｐ列の行列（この例では、２０行２０列）。
ＢＢ１〜ＢＢｎ：ｐ行ｍ列の行列（この例では、２０行５列）。
【００５６】
ここで、各係数ＡＡ１〜ＡＡｎとＢＢ１〜ＢＢｎｎ を、最小二乗法などを用いて決定する。
【００５７】
求められたARXモデルを空間状態方程式で表現すると、数式４で示すようになる。
【数４】
0004493192.tif 000002
【００５８】
ここから、熱電対（Ｓin1〜Ｓin5、Ｓout1〜Ｓout5）、温度Tthermo、ヒータ電力ｕｔからウエハ温度を推測するモデルを求める。
数式３の出力ｙｔを測定可能部分Ｓｔ（Ｐ１行１列）とウエハ温度Ｗｔ（Ｐ２行１列）に分ける。それに応じて、ＣをＣＳとＣＷに分割し、ｙbiasをＳbiasとＷbiasに分割する。
ウエハ温度モデルは数式５により計算される。
【００５９】
【数５】
Ｘｔ+1＝ＡＸｔ+ＢＵｔ+ｋｆｅｔ
Ｓｔ＝ＣｓＸｔ+［Ｉｐ、0］ｅｔ
上式に対して適切なリカッチ方程式を解き、フィードバックゲインLを求めると、ウエハ温度モデルは数式６で示すようになる。
【００６０】
【数６】
Ｘｔ+1  ＝AＸｔ+B（Uｔ+Ubias）+Ｌ（Ｔthermo―CSXｔ+Ｓbias）
Tmodel、ｔ＝CｗXｔ+Ｗbias
ここで、Tmodel、ｔが予測ウエハ温度である。
【００６１】
次に、テスト用ウエハを用いてウエハ温度を再度測定する。数式６に基づいて推定されたウエハ温度Tmodelと実測値Twaterを比較し、モデルをチューニングする。このチューニング動作を必要に応じて複数回繰り返す。
【００６２】
実際の成膜形の処理速度を向上するため、作成したモデルの次数を１０次程低次元化し、熱処理装置に実装する。
【００６３】
一方、ＣＰＵ１１６の動作プログラムに関しては、温度の設定値から推測したウエハ温度の変動の時間平均を最小化するように動作を設定する。
【００６４】
さらに、成膜処理の種類に応じて、各ゾーン内で均一な成膜が可能となるような温度目標軌道Ｔtraj（ｔ）、すなわち、温度レシピを設計する。
続いて、５つのゾーンが全てこの温度目標軌道を追従するように制御を行ってテスト的に成膜処理を実行する。処理後、成膜された膜の厚さを測定し、膜厚のばらつき等をチェックする。
【００６５】
例えば、上段のウエハの膜厚が下段のウエハの膜厚よりも小さい場合、直接的な原因は不明でも、上段の温度を相対的に上昇させることにより、膜厚をほぼ等しくすることができる。そこで、最小二乗法等を用いて、ばらつきが最も小さくなるように、温度目標軌道Ｔtraj（ｔ）を修正する。これが、図３（ｂ）に示すようなゾーン毎の温度レシピである。この温度レシピをさらにチューニングすることも可能である。
【００６６】
このようにして、ウエハの処理枚数及びその配置に応じて、ウエハの温度推定及びウエハ温度を目標温度とするための出力を定義するモデルと、レシピがそれぞれ設定され、モデル記憶部１１１とレシピ記憶部１１２に記憶される。
【００６７】
その後、実際の成膜時に、これらのモデル及びレシピは適宜選択されまた読み出されて制御に使用される。
【００６８】
以上、この発明の実施の形態に係るバッチ式の熱処理装置及びその適応制御方法、さらに、制御に使用するモデル及びレシピの設計手法を説明したが、この発明は上記実施の形態に限定されず種々の変形及び応用が可能である。
例えば、上記実施の形態では、窒化膜形成用の熱ＣＶＤ装置を例にこの発明を説明したが、処理の種類は任意であり、他種類の膜を形成するＣＶＤ装置、酸化装置、エッチング装置、等の様々なバッチ式熱処理装置に適用可能である。ただし、種類毎に、モデルとレシピを設計する。
【００６９】
また、機器構成や動作も上記実施の形態に限定されない。例えば、上記実施の形態では、ヒータの数を５つとし、反応管２内のゾーンを５つとしたが、ヒータの数や温度ゾーンの数は任意である。また、ヒータは、電気抵抗型のものに限定されず、ランプなどでもよい。また、温度を測定するための構成も熱電対に限定されず、任意の温度センサを適用可能である。
【００７０】
また、モデルやその設計手法も、米国特許５，５１７，５９４に開示されたモデルやその設計手法に限定されるものではなく、任意のモデル及び任意の設計手法を採用可能である。
また、全ての装置について、モデルを個々に設計するのは煩雑であり、同一仕様の熱処理装置について１つのモデル及び／又はレシピを作成し、これを装置毎に最適化処理することにより、モデル及びレシピを共通化してもよい。この方法によれば、モデルの作成とチューニングを効率よく行うことができる。
【００７１】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、バッチ式の熱処理装置において、加熱炉内に処理枚数や配置が異なる被処理体が収容された場合でも、適切に処理を行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態に係る熱処理装置の構造を示す図である。
【図２】制御部の構成例を示すブロック図である。
【図３】（ａ）は反応管内のゾーンを示し、（ｂ）はゾーン別の目標温度軌道の例を示す図である。
【図４】従来の熱処理装置の構成図である。
【符号の説明】
２                反応管
３                ヒータ
２１              マニホールド
２３              ウエハボート
２４              蓋体
２５              保温筒（断熱体）
３１              上段ヒータ
３２              上中断ヒータ
３３              中段ヒータ
３４              下中段ヒータ
３５              下段ヒータ
３６〜４０  電力コントローラ
【図１】
0004493192.tif 000003
【図２】
0004493192.tif 000004
【図３】
0004493192.tif 000005
【図４】
0004493192.tif 000006