(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理室内に基板を配置して熱処理を行うための熱処理装置であって，
前記基板を基板周縁から加熱するための加熱部と，
前記基板とは非接触の状態で前記熱処理装置に設置される複数の温度測定手段と，
前記複数の温度測定手段での測定結果に基づき，前記基板の中央に位置する中央測定箇所および該基板の周縁に位置する複数の周縁測定箇所の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前記複数の周縁測定箇所の温度の平均値と前記中央測定箇所の温度とを重みづけ平均することによって，前記基板の代表温度を算出する代表温度算出部と，
前記代表温度算出部によって算出された前記代表温度に基づいて，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熱処理装置。
【請求項２】
前記加熱部が，区分された第１のヒータおよび第２のヒータから少なくとも構成され，
前記温度測定部が，前記第１のヒータおよび前記第２のヒータそれぞれに対応して配置された第１の基板および第２の基板それぞれの温度を測定するものであり，
前記代表温度算出部が，前記第１の基板および前記第２の基板それぞれの代表温度を算出するものであり，
前記制御部が，前記第１の基板および第２の基板の代表温度に基づいて，前記第１のヒータおよび第２のヒータを制御する
ことを特徴とする請求項１記載の熱処理装置。
【請求項３】
処理室内に基板を配置して熱処理を行うための熱処理装置であって，
前記基板を基板周縁から加熱するための加熱部と，
前記基板とは非接触の状態で前記熱処理装置に設置される複数の温度測定手段と，
前記複数の温度測定手段での測定結果に基づき，前記基板の中央に位置する中央測定箇所および該基板の周縁に位置する複数の周縁測定箇所の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前記中央測定箇所と前記複数の周縁測定箇所との温度の差分より，絶対値が最大である該差分を選択することによって，前記基板内の温度差を算出する温度差算出部と
前記温度差算出部によって算出された前記温度差に基づいて，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熱処理装置。
【請求項４】
前記制御部が，前記温度差が所定の許容範囲内になるように前記加熱部を制御する
ことを特徴とする請求項３記載の熱処理装置。
【請求項５】
前記許容範囲が，前記基板の温度に対応して変化する
ことを特徴とする請求項４記載の熱処理装置。
【請求項６】
基板の熱処理を行う熱処理装置を制御するための方法であって，
前記基板とは非接触の状態で前記熱処理装置に設置される複数の温度測定手段により温度を測定する温度測定工程と，
前記温度測定工程での測定結果に基づき，前記基板の中央に位置する中央測定箇所および該基板の周縁に位置する複数の周縁測定箇所の温度を推定する温度推定工程と，
前記複数の周縁測定箇所の温度の平均値と前記中央測定箇所の温度とを重みづけ平均することによって，前記基板の代表温度を，前記中央測定箇所と前記複数の周縁測定箇所との温度の差分より，絶対値が最大である該差分を選択することによって，該基板内の温度差を，それぞれ算出する代表温度・温度差算出工程と
前記代表温度・温度差算出工程によって算出された前記代表温度および前記温度差に基づき，前記熱処理装置を制御する制御工程と
を具備することを特徴とする熱処理装置の制御方法。
【請求項７】
前記制御工程が，
前記代表温度に基づき，前記熱処理装置の制御パラメータを導出する制御パラメータ導出工程と，
前記制御パラメータ導出工程によって導出された前記制御パラメータを前記温度差に基づき修正する制御パラメータ修正工程と
を具備することを特徴とする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、半導体ウエハ等の基板を熱処理する熱処理装置、熱処理装置の制御方法および基板の周縁測定箇所の決定方法に関し、特に基板の温度分布を加味して熱処理を行う熱処理装置、熱処理装置の制御方法および基板の周縁測定箇所の決定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に多数枚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】
縦型熱処理装置は、筒状のマニホールドの上に設けられた縦型の反応管と、この反応管を囲むように設けられたヒータとを備える。そして、ウエハボートと呼ばれる保持具に多数枚のウエハを棚状に保持させてマニホールドの下端の開口部から反応管内に搬入させて熱処理が行われる。
【０００４】
この熱処理の際には半導体ウエハの加熱された温度に基づき熱処理装置が制御される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、熱処理装置で熱処理を行う際に半導体ウエハの温度は一様ではなく、温度分布があるのが通例である。このため、半導体ウエハ上のどの箇所の温度に基づいて、熱処理装置を制御するかが問題となる。
【０００６】
また、この温度分布の幅が大きいと半導体ウエハ上にスリップラインが発生しやすくなる。スリップラインは、半導体ウエハ上に形成された１種の段差であり、半導体デバイスの歩留まりを低下する要因になる。
【０００７】
本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、半導体ウエハ等の基板の温度分布をも考慮して基板の熱処理を行うことを可能ならしめる熱処理装置、熱処理装置の制御方法、および基板上の温度を測定する周縁測定箇所の決定方法を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明に係る熱処理装置は、処理室内に基板を配置して熱処理を行うための熱処理装置であって、前記基板を基板周縁から加熱するための加熱部と、前記基板の中央近傍に位置する中央測定箇所および該基板の周縁近傍に位置する複数の周縁測定箇所の温度を測定する温度測定部と、前記温度測定部によって測定された前記中央測定箇所および前記複数の周縁測定箇所の温度に基づき、前記基板の代表温度を算出する代表温度算出部と、前記代表温度算出部によって算出された前記代表温度に基づいて、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。
【０００９】
中央測定箇所および複数の周縁測定箇所の温度に基づき、基板の代表温度を算出することから、基板上の温度分布を的確に反映した代表温度の算出およびこの代表温度に基づく加熱部の的確な制御が可能となる。
【００１０】
代表温度は、例えば、複数の周縁測定箇所の温度の平均値と中央測定箇所の温度とを重みづけ平均することによって算出することができる。
【００１１】
（２）また、本発明に係る熱処理装置は、処理室内に基板を配置して熱処理を行うための熱処理装置であって、前記基板を基板周縁から加熱するための加熱部と、前記基板の中央近傍に位置する中央測定箇所および該基板の周縁近傍に位置する複数の周縁測定箇所の温度を測定する温度測定部と、前記中央測定箇所の温度および前記複数の周縁測定箇所の温度に基づき前記基板内の温度差を算出する温度差算出部と前記温度差算出部によって算出された前記温度差に基づいて、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。
【００１２】
中央測定箇所の温度および複数の周縁測定箇所の温度に基づき基板内の温度差を算出することから、基板内の温度分布を的確に反映した温度差の算出およびこの温度差に基づく加熱部の的確な制御が可能となる。
【００１３】
この結果、基板内の温度差を適正な許容範囲以内に抑えることができ、例えば、半導体ウエハに発生するスリップラインを低減することができる。
【００１４】
温度差は、例えば、中央測定箇所と複数の周縁測定箇所との温度の差分より絶対値が最大である差分を選択することによって算出できる。
【００１５】
（３）本発明に係る熱処理装置の制御方法は、基板の熱処理を行う熱処理装置を制御するための方法であって、前記基板の中央近傍に位置する中央測定箇所および該基板の周縁近傍に位置する複数の周縁測定箇所の温度を測定する温度測定工程と、前記中央測定箇所の温度および複数の周縁測定箇所の温度に基づき、前記基板の代表温度および該基板内の温度差を算出する代表温度・温度差算出工程と、前記代表温度・温度差算出工程によって算出された前記代表温度および前記温度差に基づき、前記熱処理装置を制御する制御工程とを具備することを特徴とする。
【００１６】
中央測定箇所の温度および複数の周縁測定箇所の温度から算出された基板の代表温度および基板内の温度差によって、基板の温度分布を考慮した熱処理装置の的確な制御を行える。
【００１７】
ここで、制御工程は、前記代表温度に基づき、前記熱処理装置の制御パラメータを導出する制御パラメータ導出工程と、前記制御パラメータ導出工程によって導出された前記制御パラメータを前記温度差に基づき修正する制御パラメータ修正工程とを具備することができる。
【００１８】
（４）本発明に係る基板の周縁測定箇所を決定するための方法は、基板の周縁近傍に位置し、かつ該基板を熱処理する際の温度を測定するための複数の周縁測定箇所を決定するための方法であって、熱処理装置に前記基板を配置して該基板の温度が安定するまで加熱する加熱工程と、前記加熱工程によって加熱された前記基板の温度を、該基板の周縁近傍の５以上の箇所で測定する測定工程と、前記測定工程によって測定された最低の温度に対応した最低温度箇所または最高の温度に対応した最高温度箇所の少なくともいずれか一方を特定する最低・最高温度箇所特定工程と、前記最低・温度箇所特定工程によって特定された前記最低温度箇所または前記最高温度箇所のいずれか一方を含み、かつ前記基板の周縁に沿って該基板上を等間隔となるように該基板の周縁近傍の前記周縁測定箇所を決定する測定箇所決定工程とを具備することを特徴とする。
【００１９】
基板の温度を多数の箇所で測定し、これから最低温度箇所または最高温度箇所の少なくともいずれかを含み、かつ基板周縁に沿って基板上を等間隔となるように周縁測定箇所を決定することから、基板の温度分布を考慮した的確な温度測定が可能となる。即ち、周縁測定箇所が必ずしも多数あることを要せずに的確な温度測定が可能なので、熱処理時の温度測定の労力が軽減される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を縦型熱処理装置に適用した場合の実施の形態について説明する。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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（被処理基板）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。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。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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。この結果、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。
【００２７】
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として設置されている。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が用いられ、ウエハの中央近傍に位置する中央測定箇所および周縁近傍に位置する複数の周縁測定箇所の温度がモニタされる。
【００２８】
図３にモニタウエハＷ１〜Ｗ５上における中央測定箇所、周縁測定箇所の位置関係を示す。モニタウエハＷ１〜Ｗ５上の中央近傍に位置する箇所ｃが中央測定箇所ｃであり、その他のモニタウエハ周縁に配置された箇所ｅ１〜ｅ４が周縁測定箇所ｅ１〜ｅ４である。なお、周縁測定箇所の決定方法等の詳細については後述する。
【００２９】
後述のように、モニタウエハＷ１〜Ｗ５それぞれの中央測定箇所ｃおよび周縁測定箇所ｅ１〜ｅ４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。
【００３０】
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。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。
【００３１】
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からの温度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。
【００３２】
本実施形態の更なる詳細を説明する前に、半導体ウエハ上の温度分布の傾向およびその原因について説明する。
【００３３】
熱処理においては、半導体ウエハの中央近傍（中央測定箇所）および周縁近傍（周縁測定箇所）に温度差が生じる可能性があり、さらに周縁近傍においても半導体ウエハ中心からみた方向の相違によって温度差が生じる可能性がある。
【００３４】
周縁測定箇所によって温度が相違するのは熱処理を行う熱処理装置の熱特性が半導体ウエハＷの中心軸からみて点対称であるとは限らないことに起因する。例えば、ガス供給管５１、５２の開口部と半導体ウエハの位置関係によって温度分布が生じる。
【００３５】
この関係を図４に示す。図４Ａ、Ｂは温度が安定した状態でのモニタウエハＷの中央測定箇所ｃと周縁測定箇所ｅ１〜ｅ５の温度とガス供給口５１０，５２０との位置関係をそれぞれモニタウエハＷの上面および側部から表した一例としての図である。ガス供給管５１、５２の開口部５１０、５２０が周縁測定箇所ｅ１の側で開口している。供給されるガスの温度は反応管２中の雰囲気の温度よりも低い。このため、周縁測定箇所ｅ１の温度は他の周縁測定箇所ｅ２〜ｅ４の温度よりも低くなっている。そして、基板周縁において温度が最大となる周縁測定箇所ｅ３はガス供給口５１０，５２０とは反対側に位置している。
【００３６】
基板周縁にはこのように温度が安定した状態であっても温度分布が存在する場合がある。そして、この要因は必ずしもこのようなガスの供給およびその流れのみには限られず、半導体ウエハの中心軸に対する対称性を乱すものがあれば基板周縁に温度分布が生じる可能性がある。
【００３７】
次に半導体ウエハＷの温度分布の時間的変動につき説明する。図５は、図３の中央測定箇所ｃと周縁測定箇所ｅ１，ｅ３の温度の時間的変化を表したグラフである。ここで、周縁測定箇所ｅ１は、何らかの理由で周縁測定箇所ｅ３よりも加熱されにくく、また冷却されやすい状態であると仮定する。
【００３８】
図５において、Ｔｗは半導体ウエハＷの目標温度プロファイルを表し、これは熱処理条件（昇温速度、設定温度（Ｔｓｐ）、処理時間、降温速度）として、後述する処理レシピに表されている。また、Ｔｃは中央測定箇所ｃの温度（以下、「中央温度」という）、Ｔｅ１，Ｔｅ２は周縁測定箇所ｅ１，ｅ２それぞれの温度（以下、「周縁温度」という）を表している。
【００３９】
熱処理工程は、時刻ｔ１からｔ２の昇温工程、時刻ｔ２からｔ３の安定化工程、時刻ｔ３からｔ４のプロセス工程、時刻ｔ４からｔ５の降温工程によって構成される。そして、プロセス工程において必要に応じてガスの導入、およびその結果としての成膜等が行われることになる。以下、このときの温度分布の時間的変動につき詳述する。
【００４０】
（１）昇温工程（時刻ｔ１〜ｔ２）
昇温工程においてはヒータ３に大きな出力が加えられる結果、半導体ウエハの温度は上昇する。
【００４１】
時刻ｔ１においては中央温度Ｔｃ、周縁温度Ｔｅ１、Ｔｅ３にはほとんど差がないが、昇温するにつれこれらの間の温度差が拡大する。ヒータ３が半導体ウエハの周縁に位置し、半導体ウエハはその周縁から加熱される関係で、周縁温度Ｔｅ１、Ｔｅ３が先に上昇し、中央温度Ｔｃはこれに遅れて上昇することになる。このとき、周縁測定箇所ｅ３は周縁のうちでも比較的加熱されやすいことから温度上昇の速度が大きい。即ち、昇温プロセスにおいては、中央測定箇所ｃと周縁測定箇所ｅ３が半導体ウエハ上において温度差が大きいことになる。
【００４２】
（２）安定化工程（時刻ｔ２〜ｔ３）
安定化工程においては、ヒータ３の出力は低減される。しかし、熱的な慣性のため半導体ウエハの温度上昇は直ぐには止まらない。このため、半導体ウエハの温度が安定するまで多少の時間がかかる。そこで、半導体ウエハの温度が設定温度Ｔｓｐで安定するまで成膜等のプロセスの実行は見送られる。
【００４３】
このとき周縁測定箇所ｅ３は、加熱されやすい箇所であることから設定温度Ｔｓｐを一時的に越え、ピークをもつ（オーバシュート）。その後、一旦設定温度以下に下がり（アンダーシュート）その後設定温度Ｔｓｐに落ち着く。周縁測定箇所ｅ１は周縁測定箇所ｅ３より加熱されにくいので、周縁温度Ｔｅ１は周縁温度Ｔｅ３より低いが、傾向としては周縁温度Ｔｅ３とほぼ同様に変化する。
【００４４】
これに対して、中央温度Ｔｃは温度上昇が比較的ゆっくりである結果、ピークは持たずに徐々に設定温度Ｔｓｐに近づいてゆく傾向にある。
【００４５】
（３）プロセス工程（時刻ｔ３〜ｔ４）
プロセス工程においては半導体ウエハの温度は比較的安定する。しかしながら、先に例として図４で示したようにこのときでも基板上には温度分布が存在し、周縁温度ｅ１は設定温度Ｔｓｐには達していない。
【００４６】
（４）降温工程（ｔ４〜ｔ５）
降温工程においては、ヒータ３の出力がさらに下げられる。この結果、半導体ウエハＷの温度は低下する。
【００４７】
しかし、熱的な慣性のため、半導体ウエハの温度は目標温度プロファイルＴｗよりも遅れて低下してゆく。このとき周縁測定箇所ｅ１，ｅ３は、半導体ウエハの周縁から放熱が進む関係で中央測定箇所ｃよりも速やかに温度が低下する。周縁測定箇所のうちでもｅ１は放熱がされやすい関係から最も速く温度が下がる。これに対して、中央測定箇所ｃは主に熱を周縁に伝導することで放熱されるので、周縁測定箇所ｅ１、ｅ３に遅れて温度が下がることになる。
【００４８】
即ち、降温工程においては中央測定箇所ｃと周縁測定箇所ｅ１との間が半導体ウエハ上での温度差が大きい。
【００４９】
次に本発明に係る熱処理装置の更なる詳細について述べる。
【００５０】
図６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６に示すようにコントローラ１００は、大きく区分すると基板温度推定部１１０，半導体ウエハ等の基板を代表する代表温度および基板内の温度差を算出する代表温度・温度差算出部１２０、ヒータ出力制御部１３０から構成される。ヒータ出力制御部１３０は、さらに処理レシピ記憶部１３２が接続されたヒータ出力導出部１３４，および温度差許容範囲記憶部１３６が接続されたヒータ出力補正部１３８から構成される。
【００５１】
図７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。
【００５２】
（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）の測定信号が基板温度推定部１１０によって読みとられる（Ｓ２０２）。
【００５３】
（Ｂ）基板温度推定部１１０は、温度センサＳｉｎ、Ｓｏｕｔの測定信号からモニタウエハＷ１〜Ｗ５それぞれの中央温度Ｔ１ｃ〜Ｔ５ｃおよび周縁温度Ｔ１ｅ〜Ｔ５ｅを推定する（Ｓ２０３）。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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）は中央温度Ｔ１ｃ〜Ｔ５ｃおよび周縁温度Ｔ１ｅ〜Ｔ５ｅである。
【００５８】
式（１）、（２）において、温度センサＳｉｎ、Ｓｏｕｔの測定信号と中央温度Ｔｃ、周縁温度Ｔｅ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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
熱処理装置の熱特性によって定まる定数行列Ａ，Ｂ，Ｃ、Ｄを求める手法として、例えば部分空間法を適用することができる。
【００６２】
具体的には温度センサＳ１ｉｎ〜Ｓ５ｉｎ、Ｓ１ｏｕｔ〜Ｓ５ｏｕｔの測定信号及び中央温度Ｔ１ｃ〜Ｔ５ｃおよび周縁温度Ｔ１ｅ〜Ｔ５ｅのデータを取得し、そ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。
【００６３】
このデータ取得は、ヒータ３１〜３５の出力を徐々に変化させ、温度センサＳ１ｉｎ〜Ｓ５ｉｎ、Ｓ１ｏｕｔ〜Ｓ５ｏｕｔの測定信号及び中央温度Ｔ１ｃ〜Ｔ５ｃおよび周縁温度Ｔ１ｅ〜Ｔ５ｅの時間的変動を同時に測定することにより行われる。中央温度Ｔ１ｃ〜Ｔ５ｃおよび周縁温度Ｔ１ｅ〜Ｔ５ｅの測定は、熱電対を設置したモニタウエハを用いることで行える。
【００６４】
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、中央温度Ｔ１ｃ〜Ｔ５ｃおよび周縁温度Ｔ１ｅ〜Ｔ５ｅの算出値（（３）、（４）を連立して算出する）と実測値が一致するものを選択する（モデルの評価）。
【００６５】
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の測定信号から中央温度Ｔ１ｃ〜Ｔ５ｃおよび周縁温度Ｔ１ｅ〜Ｔ５ｅを算出できる。
【００６６】
（Ｃ）代表温度・温度差算出部１２０は、中央温度Ｔ１ｃ〜Ｔ５ｃ、周縁温度Ｔ１ｅ〜Ｔ５ｅを基にモニタウエハＷ１〜Ｗ５それぞれの温度を代表する代表温度Ｔ１ｒ〜Ｔ５ｒおよびモニタウエハＷ１〜Ｗ５内それぞれの温度差ΔＴ１〜ΔＴ５を算出する（Ｓ２０４）。
【００６７】
代表温度Ｔｒの算出は、例えばつぎの式（５）によって行える。
【００６８】
Ｔｒ＝Ｔｃ・ｘ＋Ｔｅ（ａｖ）・（１−ｘ）        ……  式（５）
ここで、Ｔｅ（ａｖ）：周縁温度の平均値（以下「平均周縁温度」という）
ｘ：重み  （０＜ｘ＜１）
であり、Ｔｅ（ａｖ）はつぎの式（６）
Ｔｅ（ａｖ）＝［ΣＴｅ（ｉ）］／ｎ          ……  式（６）
で求められる。
【００６９】
ここで、Σ：総和記号
Ｔｅ（ｉ）：同一のモニタウエハ上における周縁測定箇所ｅｉの温度
ｎ：同一のモニタウエハ上における周縁測定箇所の個数
である。
【００７０】
即ち、代表温度Ｔｒは、複数の周縁測定箇所の温度の平均値を算出し、この平均値（平均周縁温度）と中央測定箇所の温度を重みづけ平均することで、算出される。
【００７１】
ここで、複数の周縁測定箇所の温度の平均値をとるのは周縁測定箇所の温度分布を考慮したためである。
【００７２】
代表温度Ｔｒの意味合いについて図を用いてさらに詳細に説明する。
【００７３】
図８Ａ，Ｂは、半導体ウエハ上の温度の度数分布を表したグラフである。図８Ａ、Ｂは代表温度をそれぞれＴｒ１、Ｔｒ２に設定している。グラフの横軸が温度であり、縦軸が度数である。この度数は半導体ウエハにおける面積あるいは半導体ウエハを縦横に等分割したときのチップ数に比例する値である。即ち、ある温度における度数が多いことはその温度となる箇所が半導体ウエハ上に占める面積が大きいことを意味する。
【００７４】
図８Ａ，Ｂに示すように半導体ウエハＷ上の温度分布は山形の分布をしている。このため図８Ａのように代表温度Ｔｒ１を分布の中心付近に設定すると、図８Ｂに示す分布の中心から外れた場合よりも同一の温度の幅±Δ内に多数のチップ数を確保できることが判る。
【００７５】
複数の周縁測定箇所の温度の平均値をとることで、代表温度が温度分布の中心から外れることを防止できる。例えば、周縁測定箇所中にウエハの周縁近傍の比較的温度が低い領域が含まれなければ、算出した代表温度は図８Ｂに示すように温度分布の中心から高温側に外れてくる。
【００７６】
平均周縁温度Ｔｅ（ａｖ）と中央温度を重みづけ平均するのにあたって、重みｘは例えば１／３を採用できる。より適切には、代表温度が温度分布の中央に位置するように半導体ウエハの温度分布を考慮して設定する。
【００７７】
温度差ΔＴは、例えば以下の式（７）により、算出できる。
【００７８】
ΔＴ＝ＭＡＸ（｜Ｔｅ１−Ｔｃ｜，｜Ｔｅ２−Ｔｃ｜，｜Ｔｅ３−Ｔｃ｜，｜Ｔｅ４−Ｔｃ｜）    ……  式（７）
即ち、周縁温度Ｔｅ１、Ｔｅ２、Ｔｅ３、Ｔｅ４と中央温度Ｔｃの温度の差のうち絶対値が最大のものが選択される。
【００７９】
図５で示したように、昇温時には周縁測定箇所ｅ３が、降温時には周縁測定箇所ｅ１がそれぞれ中央測定箇所ｃとの温度の差が最大であると判っている場合には以下の式（８）、（９）によって温度差ΔＴを算出しても良い。
【００８０】
昇温時：ΔＴ＝Ｔｅ３−Ｔｃ      ……  式（８）
降温時：ΔＴ＝Ｔｅ１−Ｔｃ      ……  式（９）
（Ｄ）ヒータ出力導出部１３４は、代表温度Ｔ１ｒ〜Ｔ５ｒおよび処理レシピを基にヒータ３１〜３５のあるべき出力値ｈ１〜ｈ５を導出する（Ｓ２０５）。
【００８１】
処理レシピは熱処理条件（昇温速度、設定温度（Ｔｓｐ）、処理時間、降温速度、使用するガスの種類、流量等）を表した例えばテーブルである。処理レシピは、処理レシピ記憶部１３２に記憶されている。なお、昇温速度、設定温度、処理時間、降温速度等は目標温度プロファイルＴｗとして、図５のように時間の関数として処理レシピ上に表されていても差し支えない。
【００８２】
ヒータ出力値ｈ１〜ｈ５は、例えば昇温速度（レート）、降温速度（レート）によってヒータ出力値ｈ１〜ｈ５を予め決めておき、代表温度Ｔｒが設定温度Ｔｓｐに到達しているか否かによってヒータ出力値を切り替えることにより、目標温度プロファイルＴｗと代表温度Ｔｒより導出できる。この他に、例えば目標温度プロファイルＴｗと代表温度Ｔｒとの差（Ｔｗ−Ｔｒ）によってヒータ出力値を連続的に変化するように決めても良い。
【００８３】
（Ｅ）ヒータ出力修正部１３８によって、温度差ΔＴ１〜ΔＴ５が許容範囲にあるかが判定されて（Ｓ２０６）、温度差が許容範囲から外れている場合にはヒータ出力値ｈ１〜ｈ５が修正される（Ｓ２０７）。
【００８４】
温度差の許容範囲は、温度差許容範囲記憶部１３６に記憶されている。温度差の許容範囲は図９のグラフに示すように温度の関数である。図９のグラフは横軸が代表温度Ｔｒ、縦軸が温度差の許容範囲ΔＴｐｅｒを表している。そして、ラインＡが昇温時、ラインＢが降温時における温度差の許容範囲ΔＴｐｅｒを表している。代表温度Ｔｒが大きいほど許容範囲ΔＴｐｅｒの絶対値が小さくなることが判る。
【００８５】
この許容範囲ΔＴｐｅｒはスリップラインが発生しにくい範囲を表している。スリップラインは、半導体ウエハ内の剪断応力によって発生するとされる。従い、剪断応力の一因となる半導体ウエハ上の温度差を一定値以下に抑えることによって、スリップラインの発生が低減できる。
【００８６】
代表温度Ｔｒからそのときの温度差の許容範囲ΔＴｐｅｒ（Ｔｒ）が求められる。温度差ΔＴがこの許容範囲ΔＴｐｅｒ（Ｔｒ）を越えていれば、ステップＳ２０５で導出されたヒータ出力値ｈ１〜ｈ５は修正される。即ち、昇温レート、または降温レートを低減するようにヒータ出力値ｈ１〜ｈ５が修正される。
【００８７】
温度差ΔＴがこの許容範囲ΔＴｐｅｒ以内であれば、ステップＳ２０５で導出されたヒータ出力値ｈ１〜ｈ５はそのままヒータ出力の制御に用いられる。
【００８８】
（Ｆ）ヒータ出力修正部１３８は、最終的に決定されたヒータ出力値ｈ１〜ｈ５を電力コントローラ４１〜４５に制御信号として出力し（Ｓ２０８）、ヒータ３１〜３５それぞれの出力が制御される。
【００８９】
（Ｇ）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（Ｓ２０９、Ｓ２１０）。
【００９０】
なお、このステップＳ２０２からＳ２０９は多くの場合、１秒〜４秒程度の周期で繰り返される。
【００９１】
次に図７に示すプロセスによって熱処理が行われた場合における、半導体ウエハの温度の時間的変化を図１０に示す。
【００９２】
図１０Ａは半導体ウエハの代表温度の時間的変化を表したグラフであり、図１０Ｂはヒータ出力の時間的変化を表したグラフである。
【００９３】
図１０Ａで、Ｔｗが目標温度プロファイルを表し、Ｔｒが代表温度である。
【００９４】
（１）時刻ｔ１まで、ヒータ出力は保持温度Ｔ０に対応してＰ３に保たれている。時刻ｔ１から昇温が開始され、ヒータ出力がＰ３からＰ６に増大される。本来であれば昇温過程終了時刻ｔ６までこのヒータ出力が維持されるはずである。
【００９５】
しかしながら、時刻ｔ２に至って温度差ΔＴが許容範囲ΔＴｐｅｒを越えたことからヒータ出力がＰ６からＰ５まで低減され、その結果として昇温レートが低下する。
【００９６】
時刻ｔ３において、温度差ΔＴが許容範囲ΔＴｐｅｒ内になったことからヒータ出力は再びＰ６まで増大され、昇温レートは再び増加する。
【００９７】
時刻ｔ４からｔ５では、温度差ΔＴが許容範囲を越えたことからヒータ出力は再びＰ５まで低下し、昇温レートが低減する。
【００９８】
時刻ｔ５からｔ６では温度差ΔＴが許容範囲ΔＴｐｅｒ以内であるので、ヒータ出力はＰ６に上昇する。
【００９９】
そして、時刻ｔ６に至って代表温度が設定温度Ｔｓｐに達したことから、ヒータの出力はこの設定温度Ｔｓｐを維持するのに充分な出力Ｐ４まで低減される。
【０１００】
（２）時刻ｔ７に至って降温工程が開始され、ヒータ出力は速やかな降温のため出力Ｐ１まで低下される。その後、時刻ｔ８からｔ９、および時刻ｔ１０からｔ１１では温度差ΔＴが許容範囲を越えたことからヒータ出力がＰ２まで上昇せられそれに伴って降温レートが低下する。
【０１０１】
時刻ｔ９からｔ１０、時刻ｔ１１からｔ１２では速やかな降温のためヒータ出力はＰ１まで低下せられる。
【０１０２】
時刻ｔ１２に至って代表温度Ｔｒが保持温度Ｔ０に到達したことから、ヒータ出力は保持温度Ｔ０を維持するに適した出力Ｐ３まで再び上昇される。
【０１０３】
以上のように、代表温度Ｔｒおよび温度差ΔＴおよび目標温度プロファイルＴｗ、温度差の許容範囲ΔＴｐｅｒによってヒータ出力の制御が行われる。
【０１０４】
ヒータ出力は、代表温度Ｔｒと目標温度プロファイルＴｗとの関係、さらには温度差ΔＴが許容範囲ΔＴｐｅｒ以内にあるか否かにより、切り替わる。この切替は上述のように２値的に切り替えても良いし、許容範囲等からの外れの程度に応じて段階的に切り替えても差し支えない。
【０１０５】
次に周縁測定箇所の決定方法について説明する。
【０１０６】
図１１は、周縁測定箇所を決定する手順を表したフロー図である。
【０１０７】
まず熱処理装置に周縁測定箇所測定用の半導体ウエハを配置し半導体ウエハを所定の熱処理条件に従って加熱する（Ｓ３０２）。
【０１０８】
そして、半導体ウエハの温度が安定するまで待って、半導体ウエハの周縁近傍に多数設定された測定箇所において温度を測定する（Ｓ３０４）。
【０１０９】
この測定箇所は例えば図１２Ａのように半導体ウエハの周縁に沿って同心円上に等間隔で設定することができる。測定箇所の個数は、複数であれば特に限定されないが、例えば、５以上、８以上、１６以上を選ぶことができる。
【０１１０】
また、場合によっては図１２Ｂのように複数の同心円上に測定箇所を設定しても差し支えない。温度測定の方法としては例えば、半導体ウエハに熱電対等の温度センサを設置しておけばよい。
【０１１１】
測定箇所から温度が最低である最低温度箇所さらには温度が最高である最高温度箇所を選定する（Ｓ３０６）。
【０１１２】
最後に、最低温度箇所または最低温度箇所の少なくとも何れかが含まれるように周縁測定箇所を決定する（Ｓ３０８）。
【０１１３】
周縁測定箇所に最低温度箇所または最低温度箇所の何れかがが含まれるようにしていることから、周縁測定箇所の個数が少なくても温度分布を正確に反映した周縁温度の測定が容易となる。
【０１１４】
周縁測定箇所は、半導体ウエハの中心に対して対称になるように設定するのが好ましく、また半導体ウエハ上でほぼ等間隔となるように決定するのが好ましい。更には最低温度箇所と最高温度箇所の双方が含まれ、その間が等間隔になるように決定することがとりわけ好ましい。このようにすることで、半導体ウエハの温度分布をより的確に反映した周縁温度の測定が可能になる。
【０１１５】
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。
【０１１６】
例えば、基板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。
【０１１７】
熱処理装置は、縦型熱処理炉には限られず、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。
【０１１８】
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。
また、ヒータの制御には常に代表温度と温度差の双方を利用しなければならないというものではなく、いずれか一方のみを利用することでも差し支えない。
【０１１９】
中央温度Ｔ１ｃ〜Ｔ５ｃおよび周縁温度Ｔ１ｅ〜Ｔ５ｅは、温度センサＳ１ｉｎ〜Ｓ５ｉｎ、Ｓ１ｏｕｔ〜Ｓ５ｏｕｔの測定信号から推定するのではなく、直接測定しても差し支えない。この測定には、例えば（ａ）熱電対等の温度センサをモニタウエハＷ１〜Ｗ５に設置する方法、あるいは（ｂ）放射温度計等による非接触測定を用いることができる。このときには、温度センサＳ１ｉｎ〜Ｓ５ｉｎ、Ｓ１ｏｕｔ〜Ｓ５ｏｕｔの測定信号は場合により外してもよい。
【０１２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、基板上の温度分布をも考慮して基板の熱処理を行うことを可能ならしめる熱処理装置、熱処理装置の制御方法、および半導体ウエハ上の温度を測定する箇所の決定方法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】  半導体ウエハ上における中央測定箇所、周縁測定箇所の位置関係を示す上面図である。
【図４】  ガス供給管の開口部と半導体ウエハの位置関係を表す上面図および一部断面図である。
【図５】  半導体ウエハ上の中央温度と周縁温度の時間的変化を表したグラフである。
【図６】  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７】  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８】  半導体ウエハ上の温度の度数分布を表したグラフである。
【図９】  半導体ウエハ上の温度差の許容範囲を表したグラフである。
【図１０】  本発明に係る熱処理装置によって熱処理が行われた場合の半導体ウエハの代表温度の時間的変化をヒータ出力の時間変化と共に表したグラフである。
【図１１】  周縁測定箇所を決定する手順を表したフロー図である。
【図１２】  周縁測定箇所を決定する場合の半導体ウエハ上の測定箇所を表した上面図である。
【符号の説明】
１００            コントローラ
１１０            基板温度推定部
１２０            代表温度・温度差算出部
１３０            ヒータ出力制御部
１３２            処理レシピ記憶部
１３４            ヒータ出力導出部
１３６            温度差許容範囲記憶部
１３８            ヒータ出力補正部
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
３、３１〜３５    ヒータ
４１〜４５        電力コントローラ
５１、５２        ガス供給管
５１０、５２０    開口部
６１、６２        流量調整部
Ｓｉｎ、Ｓｏｕｔ  温度センサ
【図１】
0004536214.tif 000002
【図２】
0004536214.tif 000003
【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】
0004536214.tif 000008
【図８】
0004536214.tif 000009
【図９】
0004536214.tif 000010
【図１０】
0004536214.tif 000011
【図１１】
0004536214.tif 000012
【図１２】
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