(57)【要約】処理したい対象物の熱処理時の温度プロフィルのより良好な制御を可能にするために、本発明は、対象物を加熱装置内で熱処理するための装置および方法、特に半導体ウェーハ（２）を急速加熱装置（１）内で熱処理するための装置および方法を提案している。本発明による方法では、対象物が、設定された温度経過で熱処理され、対象物の温度が、ＰＩＤ制御装置と、加熱装置および対象物から成るシミュレーションモデルに基づくフィードフォワード制御装置とによって制御される。この場合、モデルが、加熱装置のかつ／または対象物の成分の個別モデルから成っており、少なくとも１つの個別モデルのパラメータが、熱処理時に監視され、モデルが、監視されたパラメータに適合される。
2004503101.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物を、設定された温度経過で熱処理し、対象物の温度を、温度制御装置と、加熱装置および対象物から成るシミュレーションモデルに基づくフィードフォワード制御装置とによって制御して、対象物を加熱装置内で熱処理するための方法、特に半導体ウェーハを急速加熱装置内で熱処理するための方法において、シミュレーションモデルが、少なくとも１つの個別モデルを有しており、該個別モデルが、加熱装置のかつ／または対象物の成分を有しており、少なくとも１つの個別モデルの少なくとも１つのパラメータを熱処理の間に監視し、シミュレーションモデルを、少なくとも監視されたパラメータに適合させることを特徴とする、対象物を加熱装置内で熱処理するための方法。
【請求項２】
対象物に少なくとも１つの加熱ランプを照射する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
少なくとも１つの加熱ランプに対して個別モデルが設けられており、加熱ランプの運転パラメータ、特に放射された加熱出力を監視する、請求項２記載の方法。
【請求項４】
処理したい対象物のパラメータ、特に対象物の光学的な特性を監視する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
加熱放射への対象物の結合を検出する、請求項４記載の方法。
【請求項６】
対象物の、互いに反対の側に位置する面おけるパラメータを互いに別個に検出する、請求項４または５記載の方法。
【請求項７】
データ伝送時間および／または演算時間を検出する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
４００℃未満の対象物の温度を追補的に算出する、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
対象物（２）、特に半導体ウェーハを熱処理するための装置であって、加熱装置（１）、特に急速加熱装置と、制御ユニットとが設けられており、該制御ユニットが、ＰＩＤコントローラ（４７）とフィードフォワードコントローラ（５０）とを備えており、該フィードフォワードコントローラ（５０）が、加熱装置（１）と対象物（２）とから成るシミュレーションモデルを使用している形式のものにおいて、加熱装置（１）のかつ／または対象物（２）の成分の、シミュレーションモデルに対して重要なパラメータを走査し、測定されたパラメータをシミュレーションモデルのパラメータと比較しかつシミュレーションモデルのパラメータを、測定されたパラメータに適合させるための少なくとも１つの監視ユニットが設けられていることを特徴とする、対象物を熱処理するための装置。
【請求項１０】
少なくとも１つの加熱ランプが設けられている、請求項９記載の装置。
【請求項１１】
監視ユニットが、少なくとも１つの加熱ランプの運転パラメータ、特に放射された加熱出力を測定するための少なくとも１つのセンサ（１０）を有している、請求項１０記載の装置。
【請求項１２】
監視ユニットが、処理したい対象物（２）のパラメータ、特に対象物（２）の光学的な特性を測定するための少なくとも１つのセンサ（１１）を有している、請求項９から１１までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１３】
対象物の、互いに反対の側に位置する面おけるパラメータを検出するために、２つのセンサが設けられている、請求項１２記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、対象物を、設定された温度経過で熱処理し、対象物の温度を、適宜な温度制御装置、たとえばＰＩＤ制御装置と、加熱装置および対象物から成るシミュレーションモデルに基づくフィードフォワード制御装置とによって制御して、対象物を加熱装置内で熱処理するための方法および装置、特に半導体ウェーハを急速加熱装置内で熱処理するための方法および装置に関する。
【０００２】
このような方法および装置は技術的に知られている。たとえば電子的な構成素子を製作するための半導体産業では、通常、板状の半導体基板が加熱ランプによって１秒あたり１００℃よりも高い加熱率で熱処理される。この場合、この熱処理は一般的に、設定された時間的な温度プロフィルに追従する。この温度プロフィルを達成するためには、ランプから放出された加熱出力の閉ループ制御が必要となる。加熱ランプが、設定された出力プロフィルで制御されることによって、ウェーハ温度が、規定された温度経過に追従する。しかし、この場合、ランプから放出された放射出力とウェーハの温度との間に線形の比率が存在しないことに注意しなければならない。このことは、種々異なる効果、特にシュテファン・ボルツマンの法則（たとえばアメリカ合衆国特許第４７６１５３８号明細書参照）だけでなく、たとえばプロセスチャンバの形、プロセスチャンバの内部の種々異なるエレメントの配置形式、加熱ランプに対するウェーハの位置等にも起因している。したがって、ランプの、設定された制御を介した温度プロフィルの単純な開ループ制御が不可能となる。
【０００３】
この理由に基づき、目下のウェーハ温度の常時の監視と同時に目標温度値からの逸脱時のウェーハ温度の後制御とが行われる。この場合、互いに異なる２つの制御プロセス、つまり、閉じられた温度制御回路、たとえばＰＩＤ制御と、いわゆる「フィードフォワード制御」とが使用される。
【０００４】
以下に、システムの少なくとも１つの量を所定の値（またはこの値を中心とした範囲内）にもたらしたい場合の閉ループ制御について説明することにする。この場合、前記量は制御装置にフィードバックされるので、この制御装置は、システムの、考慮される量に関連して所望の値を可能な限り最適に生ぜしめる。この場合、量はシステムで直接、たとえば測定によって検出することができるものの、たとえばモデルからも検出することができる。このモデルはシステムを、可能な限り良好に再現して生ぜしめる。ここで、モデルに基づく閉ループ制御について説明することにする。複数の量に対して制御されるシステムにも同じく、量の、モデルに基づくフィードバックと、前述したフィードバックとから成る組合せを付与することができる。一般的には、このような量のフィードバックは帰還と呼ばれる。
【０００５】
閉ループ制御とは異なり、開ループ制御時には、システムの、制御したい量が制御装置にフィードバックされない。制御したい量は制御装置において、たとえばモデルによって規定されかつ／または制御したい量とは異なる量を介して制御される。
【０００６】
閉じられた温度制御回路では、ウェーハ温度の目下の実際値が、設定された目標値と比較される。両値の間に偏差がある場合には、制御装置が介入し、たとえば加熱ランプがより激しくまたはより少なく制御されることによって両値が適合される。制御差が大きければ大きいほど、後制御がますます激しくなる。この閉ループ制御の欠点は、ａ）制御装置が目標値の未来の変化に関して報知されていないこと、ｂ）制御過程の間に変化し得るウェーハ特性が考慮されないことにある。したがって、このような閉ループ制御は予測して反応することができない。
【０００７】
これらの欠点はフィードフォワード制御によって補償される。このフィードフォワード制御は、これまでの展開、目標値および目下の実際値のほかに目標値の未来の展開も制御プロセス内に一緒に組み込んでいる。これによって、目標値への実際値の適合がより正確となる。なぜならば、制御装置が目標値の未来の変化を閉ループ制御内に一緒に組み込んでいるからである。
【０００８】
一層正確な閉ループ制御のためには、実際値の未来の特性が、加熱装置と、処理したい対象物もしくはウェーハとから成るシミュレーションモデルにつき予め算出される。この事例では、予測制御されるプロセスについて説明することにする。個々のチャンバ構成要素の熱容量と、どのランプ出力がチャンバ内に入射されるのかということとは知られているので、ウェーハ温度と、このウェーハ温度の未来の展開とは、加熱出力のプロフィルの経過に関連してシミュレーションモデルの予測によって予め見積ることができる。
【０００９】
しかし、従来、剛性的なシミュレーションモデルで行われたこの見積りは極めて困難である。なぜならば、プロセスチャンバ内の種々異なる構成要素と、加熱装置と、処理したい対象物とが非線形のシステムを成しているからである。この困難性にもかかわらず、この方法では、目標プロフィルへのウェーハ温度の経過の適合を改善することができる。
【００１０】
すでに上述したように、このようなシミュレーションモデルはチャンバを、このチャンバの全ての個別構成要素およびウェーハと一緒に１つのシステムとして処理する。個々のシステム構成要素の間では区別されない。さらに、従来既知のシミュレーションモデルは１回形成され、次いで、特に１回のプロセスの間、すなわち、対象物が温度・時間処理を被る間もはや変化させられない。たとえば種々異なる光学的な特性を備えた種々異なるウェーハ（対象物）の処理時のシステムの内部の変化は考慮され得ない。特にプロセス経過および／または老化に基づく変化、たとえば加熱ランプから放出された放射またはチャンバの内部のその他の変化は考慮され得ない。プロセス経過に基づく変化は、たとえば石英ガラスから成るプロセスチャンバの加熱と、これによって付加的に生ぜしめられる、ランプ放射とは一般的に異なる波長スペクトルでの熱放射とである。
【００１１】
したがって、公知先行技術から出発して、本発明の課題は、対象物を加熱装置内で熱処理するための方法を改善すると同時に装置を改良して、処理したい対象物の温度プロフィルのより良好な閉ループ制御が可能となるようにすることである。
【００１２】
本発明によれば、この課題は、シミュレーションモデルが、少なくとも１つの個別モデルを有しており、該個別モデルが、加熱装置のかつ／または対象物の成分を有しており、少なくとも１つの個別モデルの少なくとも１つのパラメータが、熱処理の間に監視され、シミュレーションモデルが、少なくとも監視されたパラメータに適合させられることによって解決される。これによって、シミュレーションモデルを、変化する運転条件、たとえばランプの加熱出力の、老化に基づく変化、種々異なる光学的な特性を備えた対象物等に動的に適合させることができるという利点が得られる。シミュレーションモデルの適合によって、有利には、プロセス経過に基づく変化、たとえば温度制御時のプロセスチャンバ（特にプロセスチャンバ内に設けられた石英部分）の上述した加熱も考慮することができるので、処理したい対象物の温度経過のより正確な閉ループ制御も特に可能となる。このことは、たとえば有利には、いわゆる「ファースト・ウェーハ（ｆｉｒｓｔ−ｗａｆｅｒ）」効果を減少させるために使用することができる。この「ファースト・ウェーハ」効果とは、たとえばプロセスチャンバが最初のウェーハのプロセス実行時にまだその平均的な「運転温度」に達していない場合の、ウェーハのプロセス実行時のプロセス結果へのプロセスチャンバ温度の影響である。この効果は常に、たとえば大量生産の開始時に生ぜしめられるかまたは個々のウェーハのプロセス実行の間に、プロセスチャンバが、たとえば大量生産の開始時の温度に冷却され得る程度の時間が存在している場合に生ぜしめられる。これによって、装置に基づき、プロセス結果がウェーハのスループットに関連し得る。当然ながら、このことは望ましくない。本発明の有利な実施態様によれば、対象物に加熱装置の少なくとも１つの加熱ランプが照射される。加熱装置の少なくとも１つの加熱ランプに対して、監視される少なくとも１つのパラメータを備えた個別モデルが設けられており、加熱ランプの運転温度、特に放射された加熱出力が、変化を確認しかつ場合によってはシミュレーションモデルを適合させるために、制御出力に関連して監視されると有利である。
【００１３】
本発明の別の有利な実施態様では、処理したい対象物に対して個別モデルが設けられており、処理したい対象物のパラメータ、特に対象物の光学的な特性が、場合によってシミュレーションモデルの適合を行うために監視される。処理したい対象物の吸収特性（もしくは一般的に光学的な特性、たとえば透過、吸収または反射）もしくは種々異なる温度での加熱放射への結合が特に重要である。種々異なる温度は閉ループ制御、特にフィードフォワード制御に著しい影響を与え得る。なぜならば、前記特性が、たとえばＳｉ（シリコン）ウェーハに対して著しく温度に関連しているからである。対象物の、互いに反対の側に位置する面おけるパラメータが互いに別個に検出されると有利である。
【００１４】
全てのモデルのさらなる最適化のためには、データ伝送時間および／または演算時間が検出され、このために設けられた個別モデルが、検出された値に適合される。幾つかの測定装置、たとえば高温計では、４００℃未満の対象物の温度検出が不可能であるかまたは極めて困難にしか可能とならない。したがって、４００℃未満の対象物の温度が、シミュレーションモデルにつき追補的に算出され、この算出されたデータが制御装置内に収容されると有利である。
【００１５】
本発明に基づく課題は、対象物、特に半導体ウェーハを熱処理するための装置であって、加熱装置、特に急速加熱装置と、制御ユニットとが設けられており、該制御ユニットが、温度コントローラとフィードフォワード制御装置とを備えており、該フィードフォワード制御装置が、加熱装置と対象物とから成るシミュレーションモデルを使用している形式のものにおいて、加熱装置のかつ／または対象物の成分の、シミュレーションモデルに対して重要なパラメータを走査し、測定されたパラメータをシミュレーションモデルのパラメータと比較しかつシミュレーションモデルのパラメータを、測定されたパラメータに適合させるために、少なくとも１つの監視ユニットが設けられていることによっても解決される。この装置では、すでに方法につき上述した利点が得られる。
【００１６】
以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。
【００１７】
図１には、半導体ウェーハ２を熱処理するための加熱装置１の構造が概略的に示してある。この装置１は、半導体ウェーハ２を受け止めるための保持エレメント５を備えた、一般的に石英ガラスから成る内側のプロセスチャンバ３を有している。
【００１８】
このプロセスチャンバ３の上方および下方にはランプ列７，８が設けられている。両ランプ列７，８は棒状の多数のランプ、たとえばタングステン・ハロゲンランプまたはアークランプによって形成される。しかし、たとえば対象物の片面の加熱のために、ただ１つのランプ列しか設けられていなくてもよい。当然ながら、別のランプを使用することもできる。ウェーハ２を熱処理するためには、ランプが、規定された電磁放射を放出するように制御される。この電磁放射は、その空間的な成分および／またはスペクトル成分だけでなく、その強度に関しても制御可能である。
【００１９】
熱処理の間、ウェーハの温度が測定される。このためには、２つの高温計（パイロメータ）、つまり、ランプ用高温計１０とウェーハ用高温計１１とが設けられている。ランプ用高温計１０は、少なくとも１つのランプから放出された電磁放射強度Ｉｏを測定するのに対して、ウェーハ用高温計１１は、ウェーハ２から放射された放射強度Ｉｗならびにウェーハで反射された放射強度Ｉｒおよび場合によってはウェーハを透過した放射も測定する。ランプから放射された放射強度Ｉｏは、規定された変調を有している。この変調は、能動的に、すなわち、放射の、規定されたかつ／または制御可能な適切な変調によって達成されるかまたは受動的に、すなわち、システムに基づく放射変化の利用によって達成される。この放射変化は、たとえば電圧供給の周波数によって発生し得る。前記変調は、ウェーハ２で反射された放射強度Ｉｒでも認知することができ、したがって、実際にウェーハ２から放射された、ウェーハ用高温計１１で測定された熱放射の成分を信号評価回路１２で検出することができる。この信号評価回路１２には、ランプ用高温計１０の信号だけでなくウェーハ用高温計１１の信号も供給される。この測定法の詳細は、たとえば同一出願人によるドイツ連邦共和国特許出願公開第１９８５５６８３号明細書に記載されている。繰り返しを避けるために、この測定法はドイツ連邦共和国特許出願公開第１９８５５６８３号明細書に関連している。このような形式で測定されたウェーハ温度は、たとえばＰＩＤ制御の枠内で目標ウェーハ温度と比較され、ランプ列７，８に対する制御量が検出され、これに相応して、ランプ列７，８が制御される。
【００２０】
図２には、従来の熱処理時の１つのウェーハの目標温度経過Ａと実際温度経過Ｂとが示してある。破線で示した曲線Ａは、ウェーハに対する獲得したい温度経過もしくは目標温度経過を示しており、実線で示した曲線Ｂは、ウェーハの実際温度経過を示している。破線で示した曲線はまずコンスタントな温度Ｔ０を示している。この温度Ｔ０はｔ０〜ｔ１の期間において１秒あたり、たとえば１００℃のコンスタントな率で温度Ｔ１に向かって上昇し、次いで、この温度にコンスタントにとどまる。公知先行技術による上述した閉ループ制御時、たとえば純然たるＰＩＤ制御時には、ウェーハの実際温度経過がこの線形の経過に追従していない。それどころか、ウェーハの昇温が、目標曲線よりも遅い時点で初めて開始される。この場合、実際曲線での昇温率は目標曲線での昇温率よりも大きくなっており、実際曲線は、ウェーハの、獲得したい最終温度を上回っていて、次いで、時点ｔ１後しばらくして初めて所望の最終温度Ｔ１に安定している。
【００２１】
前述したように、目標曲線と実際曲線との間の差はフィードフォワード制御の付加的な組込みによって改善することができる。このフィードフォワード制御は目標値の未来の展開を制御装置に入力しならびに実際値の未来の特性をシミュレーションモデルにつき予め算出する。この場合に従来使用されたシミュレーションモデルは、上述したように、剛性的（ｓｔａｒｒ）なシミュレーションモデルである。
【００２２】
本発明によれば、閉ループ制御に基づくシミュレーションモデルは、変化するパラメータへのシミュレーションモデルの適合、特にプロセス経過の間の適合が可能となることによって改善される。このことは、シミュレーションモデルが成分に分解され、モデルの少なくとも１つの成分または各成分に対して適切な個別モデルが形成され、この個別モデルの少なくとも１つのパラメータの測定ならびにプロセスの間の個別モデルにおけるパラメータの後続の適合が行われることによって達成される。
【００２３】
この全モデルに基づき、個々の成分に対する制御パラメータを規定することができる。さらに、個々の成分は全装置の制御装置にメモリされる。こうして、個別モデルもしくは個別モデルの制御パラメータを介して適切にウェーハの温度経過を開ループ制御しかつ閉ループ制御することができる。全モデルは、変化する条件、たとえば測定されたパラメータの変化に適合可能である。
【００２４】
本発明を理解しやすくするために、以下に、図３〜図８について説明する。図３には、ランプによって発生させられる放射を、モデルと、測定と、適合されたモデルとから成る組合せと共にカスケード放射制御回路内でのモデルの積分によって検出するための図表が示してある。まず、ランプモデルがランプの特性量に基づき形成される。モデルパラメータとして考慮されるランプの特性量は、ランプに流れる電流、印加される電圧、この電圧の抵抗、消費される出力および放出される放射出力である。静的な事例では、ランプによって消費される電力が、放出される出力と同じである。さらに、ランプの、放出される放射出力はフィラメント温度を介してその抵抗に直接関連している。この関係に基づき、特に「７ｔｈ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｏｆ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ　−　ＲＴＰ　’９９」での記事「Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　Ｒａｐｉｄ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍｓ」（Ｊ．Ｕｒｂａｎ　ｅｔ　ａｌ．著）にも記載されているように、図３に示したランプモデルを形成することができる。この記事は、この限りにおいて、繰り返しを避けるために、本発明の対象にされる。このモデルでは、個々のランプが３つのパラメータ、つまり、ランプの温度Ｔの関数としての抵抗特性線Ｒ＝ｆ（Ｔ）と、（場合によっては同じく温度Ｔの関数としての）ランプの熱容量ｃと、放射出力を規定する定数εσＡとによって特徴付けられる。この場合、εは放出度に相当しており、σはシュテファン・ボルツマン定数に相当しており、Ａはランプフィラメントの面もしくは有効面に相当している。
【００２５】
ランプモデルでは、調整量ｇとして、ランプに印加される電圧ｕが入力される。この電圧と、ランプがその特性線に相応して所定の温度Ｔにおいて有する抵抗Ｒとから、ランプに流れる電流ｉの量が検出される。これに基づき、Ｐｅｌ＝ｕ・ｉにより、ランプで変換された電力Ｐｅｌが規定される。シュテファン・ボルツマンの放射法則に基づき、ランプから放出された放射出力Ｐｓｔｒをランプ温度と放射定数（放出定数）とにつき検出することができる。放射出力が、変換された電力から差し引かれる。これによって、ランプ内で熱に変換された出力の割合が得られる。この出力はフィラメントとランプを加熱する。ランプの、主としてフィラメント線材の質量によって設定された熱容量ｃによって、ランプの新たな温度Ｔが算出される。このことは、図３に１／ｃと積分項とによって示してある。新たな温度につき、ランプの新たなフィラメント抵抗Ｒと、これに基づき、変換されたランプ出力Ｐｅｌとが新たに検出され、他方では、放出されたランプ放射Ｐｓｔｒが新たに検出される。こうして、ランプから放出された放射出力Ｐｓｔｒに対する調整量ｇの影響を規定することができ、特にランプの動特性が説明される。
【００２６】
次のステップでは、ランプモデルに収容されたパラメータが、設定されたランプに対して測定される。これによって、モデルを最適化することができ、規定されたランプに調整することができる。特に抵抗とフィラメント温度との関係、フィラメントの熱容量ｃならびに定数εσＡが検出される。この場合、ｃ，ε，Ａは温度の関数として規定することもできる。選択的には、ε，Ａが温度に適合されてもよい。検出されたパラメータはランプモデルに挿入される。これによって、ランプに対する固有のモデルが得られる。
【００２７】
制御回路２０内での、図３に示したランプモデルの使用が図４に示してある。制御回路２０内では、ランプモデルに基づき算出された（ここではランプモデルの、監視されたパラメータとしての）放射出力Ｐｓｔｒが１回、高温計２６によって測定された実際のランプ放射ｈと比較される。算出されたランプ放射と測定されたランプ放射との間の差は、モデル最適化ユニット２８を介してランプモデル２５のさらなる最適化のために働く。モデル最適化ユニット２８は、たとえばＲ，ε，Ａまたはｃの適合のために働く。さらに、算出された放射出力Ｐｉｓｔ（Ｐｓｔｒ）が目標放射値ｅと比較され、ランプ放射は、検出された差につき放射コントローラ３０を介して制御される。この放射コントローラ３０から出力された、有効電圧に相当する調整量ｇはランプの制御のほかにランプモデルのための入力量としても働く。上述した説明から分かるように、ウェーハの温度の閉ループ制御時に使用されるランプモデルは、実際にランプから放出された放射出力が、モデルの内部で算出された放射出力と比較されることによって、変化する条件に動的に適合することができる。付加的または択一的には、プロセスの間、別のランプパラメータｍ、たとえば電流または電圧を測定することができ、ランプモデルを、測定されたパラメータにつき最適化することができる。しかし、ランプモデルを、測定されたパラメータ値によって開始時に初期化しかつ前記量の、プロセスに付随する最適化を省略することも可能である。
【００２８】
上述した方法では、ランプ制御のために働く調整量ｇが、従来慣用のように、目標放射値ｅと、測定された実際のランプ放射値との間の比較に基づきもはや規定されず、目標放射値ｅと、ランプモデルによって算出されたランプ放射Ｐｓｔｒとから得られることが特に重要である。これによって、制御速度が高められ、さらに、制御プロセスの内部で外乱が少なくなる。
【００２９】
上述した閉ループ制御の効果および利点は、図５ａ、図５ｂ、図６ａおよび図６ｂのオシログラフ作成器に示してある。図５ａおよび図５ｂでは、ランプが従来の形式で調整量として電圧を介してかつ放射コントローラ（ランプモデル、ランプモデル最適化ユニット）なしに制御されている。この場合、図５ａには、増加した放射出力が示してあり、図５ｂには、減少した放射出力が示してある。この場合、電圧は階段状に変化している。オシログラフ作成器から知ることができるように、ランプから放射された出力は、電圧の階段状の経過を、著しく異化されてしか反映していない。ランプ放射強度の段状の変化の代わりに、波状の経過を知ることができる。
【００３０】
図６ａおよび図６ｂにも同じく、ランプ出力の増加時（図６ａ参照）のかつ減少時（図６ｂ参照）のランプの、放出された放射の時間的な経過が示してある。この事例では、ランプが、図４に示した制御回路を介して制御されている。図６ａおよび図６ｂに示した放射強度の経過は階段状の経過を示している。放射コントローラが使用されており、モデルによって算出された放射強度が調整量として使用されている。図５ａ、図５ｂおよび図６ａ、図６ｂによるオシログラフ作成器の比較時には、Ｙ軸が互いに異なる高さの値を示していることに注意しなければならない。このことは、電圧ジャンプ時には実際に調整量としての電圧しか変化させられないが、しかし、出力ジャンプ時には放射出力に対する目標値が設定されることに基づき生ぜしめられる。全体的には、図４に示した制御回路を介して制御される（図６ａおよび図６ｂ参照）ランプが、動特性を備えた調整部材を成している。この調整部材によってウェーハの温度経過を、設定された温度プロフィルにより正確に適合させることもできる。
【００３１】
こうして、ウェーハの熱処理時に加熱装置のランプの個々の各ランプを個別に制御することができる。
【００３２】
図７には、ウェーハのモデルを有する前制御コントローラを備えた、ウェーハの特性に適合された前制御装置が示してある。図示の閉ループ制御では、ランプ放射へのウェーハの結合が測定され、測定された結合につき、ウェーハに適合された前制御が生ぜしめられる。前制御装置は閉ループ制御によって個々のランプもしくはランプ列に対する調整量を発生させる。この調整量は、温度、温度変化、ウェーハサイズおよび場合によっては別のウェーハ特性に関連している。
【００３３】
ウェーハから放出されかつ反射された放射ｉが測定ユニット４０で測定され、ウェーハ温度ｊの算出のために使用される。さらに、ウェーハから放出された放射ｉは結合・測定ユニット４３において、測定されたランプ放射ｈと比較される。これによって、ランプ放射へのウェーハの結合ｋを検出することができる。ランプ放射へのウェーハの結合ｋを規定するためには、ランプとウェーハとから放出された放射の、能動的に変調された広域の測定が使用される。この測定は、繰り返しを避けるために、本発明の対象にされる、同一出願人によるドイツ連邦共和国特許出願第１９８５５６８３．７号明細書に基づき公知であるように、２つの高温計によって行われる。ウェーハとランプ放射との間の結合ｋの量は種々異なるパラメータに関連している。たとえばウェーハは種々異なる材料によって複数回すら被覆することができかつ／または構造化することができる。このことは、種々異なる吸収特性および非均質な温度分布のほかに、ウェーハ表面にわたって、これらの層への加熱放射の干渉効果も生ぜしめる。ウェーハとランプ放射との間の結合ｋという概念は、ウェーハと放射フィールドとの間の交番作用の程度、すなわち、生ぜしめられる全ての波長にわたる吸収度および放出度を意味している。
【００３４】
算出されたウェーハ温度ｊは点４５で温度目標値ａと比較される。目標値と実際値とに基づく差ｂは温度コントローラ、たとえばＰＩＤ温度コントローラ４７に転送される。この温度コントローラは差ｂに基づき公知の形式でランプ制御値ｃを検出する。目標値ａと、ウェーハとランプ放射との間の算出された結合ｋとは前制御コントローラ５０に伝送される。この前制御コントローラ５０は前制御値ｄをウェーハ特性ｋに関連して供給する。前制御値ｄと温度コントローラの出力量ｃとは点５４で調整量ｅに加算されるので、目下の調整量ｅが、前記測定をベースとして検出された演算に基づき生ぜしめられる。この場合、使用されるモデルは、チャンバ、保持装置またはランプの別のパラメータ、たとえば石英温度、環境温度等を有していてもよい。調整量ｅは上側のもしくは下側のランプ列に対するコントローラ５５ａ，５５ｂに転送される。
【００３５】
ウェーハの上方に位置する全てのランプは上側のランプ列７にまとめられており、ウェーハの下方に位置するランプは下側のランプ列８にまとめられている。上側のかつ下側のランプ列のｎ個の各ランプは、図４につき説明したように、個々の制御回路（ＬＣＬ）を有している。均質なランプフィールドでの加熱時には、板状のウェーハの縁部領域がウェーハ中央よりも激しく加熱される。したがって、ウェーハにわたって均質な温度分布を達成するためには、ランプ列の個々のランプを種々異なる強さで放射しなければならない。この目的のためには、個々のランプに対するコントロールテーブル（ＬＣＴ）が設けられている。このコントロールテーブルにつき、熱処理の間の個々の各ランプの放射強度が調整される。このために必要となる調整装置はランプ制御回路に前置されている。このランプ制御回路は調整量ｅを介して制御され、所望のランプ放射ｈのために働く。各ランプは種々異なる状況で種々異なる動特性を示しているので、各ランプがその個々の特性線につき、図４に示した個々の制御回路によって制御されると特に有利である。これによって、特に縁部領域でのウェーハのより均質な加熱が達成される。ランプ放射へのウェーハの結合に関して報知する測定されたパラメータｈ，ｉに基づき、あとで適合させることができるランプモデルのモデルパラメータに関する情報が得られる。特にランプがアークランプである場合には、この方法が極めて有利であると分かった。念のために付言すると、コントロールテーブル（ＬＣＴ）自体も同じく個別モデルによって説明することができる。この個別モデルも同じく少なくとも１つのパラメータ（たとえば半径方向のウェーハ温度）によって監視することができると共に適合させることができる。
【００３６】
ウェーハ放射ｉが、制御したい量である、つまり、ウェーハ放射ｉがウェーハ温度に関する報知を許容しており、結合・測定ユニット４３が放射ｉをランプ放射ｈと比較するので、帰還を伴った制御である。ランプ放射ｈ自体は、ここで理解される意味では、閉ループ制御されない。これによって、制御したい量ｉは所望の値にしかもたらされない。この目的のためには、ランプ放射ｈが原理的に各経過を取ることができる。この経過によって、制御したい量ｉの、設定された値が得られる；この量ｉはただ１つの補助量である。これに対して、測定ユニット４０には、制御したいウェーハ放射ｉが供給される。ここでは、閉ループ制御によって、上で規定された目的を実施しなければならない。
【００３７】
長い耐用年数に基づくランプの老化効果は、このランプのモデルと新たなパラメータ値との単純な適合によって迅速にかつ比較的大きな手間をかけることなく補償することができる。測定されたパラメータに基づくランプモデルでのランプパラメータの動的な適合は万が一のランプ交換時にも極めて有利である。従来、このような事例では、適宜なテーブルを備えた新たなモデルが製造されなければならなかった。しかし、動的な適合時には、ランプを自動的に正確に測定することができ、モデルを自動的に適合させることができる。このようなモデル適合によって、有利には、ランプをより長く使用し続けることもできる。さらに、監視されたパラメータ、たとえば図４に基づくＰｓｔｒまたはＰｓｔｒに関連した個別モデルパラメータもしくは急速加熱装置を監視するためのモデルパラメータを使用することができるので、たとえば個別モデルパラメータが、予め規定された範囲または適合された範囲以外に位置している場合にはランプの交換が表示され得る。
【００３８】
図７に示した前制御時には、ランプ放射へのウェーハ下面の結合しか考慮されなかった。
【００３９】
図８には、ウェーハ下面の結合のほかに、ランプ放射へのウェーハ上面の結合も考慮されるシステムが示してある。図８には、同じエレメントまたは類似のエレメントに該当する限り図７と同一の符号が使用してある。
【００４０】
結合の別個の考慮は特にウェーハでは有利である。このウェーハでは、上面および下面が互いに異なる材料層を有しており、したがって、ウェーハの光学的な特性が両側で互いに異なっている。特に半導体技術では、多数の事例において、ウェーハ表面が、種々異なる材料の１つまたはそれ以上の層を備えているのに対して、ウェーハの裏面は処理されていない。さらに、一方の表面は極微な構造を有しているのに対して、他方の表面は平らである。この差が前制御に対する別個の２つのモデルで考慮されると、ウェーハ温度の制御をさらに一層改善することができる。ランプ放射へのウェーハの結合は表面および裏面の平均値から得られるので、前制御値は、互いに無関係の２つの結合測定の平均値から検出することができる。
【００４１】
図８に示したように、上側のかつ下側のランプ列から放出された放射ｈは別個に検出され、ランプ放射とウェーハとの間の結合の検出のために使用される。この値から、前制御コントローラ５０ａ；５０ｂ内での上側のかつ下側のランプ列に対するフィードフォワード制御の種々異なる適合が得られる。さらに、分配ユニット５６を介した上側のかつ下側のランプ列の種々異なる制御が得られる。
【００４２】
上側のかつ下側のランプ列に対するランプ放射の調整量のための種々異なる設定によって、ウェーハ２の表面および裏面の均一な加熱が保証される。このことは、特に極めて小さな構造で有利となる。
【００４３】
本発明は、有利な実施例につき前述したものの、この実施例に限定される必要はない。たとえば別の構成では、個々のシステム成分のデータ伝送率ならびに演算時間が考慮されてもよく、パラメータとして前制御に対するモデル内に組み込まれてもよい。有利には、装置パラメータが測定されてもよい。この装置パラメータは調整量に直接関係していない。したがって、石英チャンバの、プロセスの途中で発生しかつランプ放射の透過に影響を与える不純物がモデル内で適切なパラメータによって設けられてよい。その後、このパラメータは測定技術的に、たとえば反射・透過測定によって検出され、制御回路に一緒に作用する。ウェーハの理想的な温度制御のためには、システムの、可能な限り多くの個別成分が考慮されることが望ましい。この場合、ここでは、制御手間と結果との間の妥協が見つけられなければならない。さらに、ランプモデルにつき上述したように、（個別）モデルにわたってシステム監視機能、たとえば保守間隔が組み込まれてよい。さらに、上述した構成の個々の特徴が互いに組み合わされてよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】
対象物を熱処理するための加熱装置の構造の概略図である。
【図２】
ＰＩＤ制御による半導体ウェーハの熱処理時の実際温度プロフィルと目標温度プロフィルとの図表である。
【図３】
ランプによって発生させられた放射を検出するための図表である。
【図４】
制御回路内のランプモデルの図表である。
【図５ａ】
加熱段階の間の放射コントローラなしの電圧ジャンプ時のランプ放射を示す曲線である。
【図５ｂ】
冷却段階の間の放射コントローラなしの電圧ジャンプ時のランプ放射を示す曲線である。
【図６ａ】
放射コントローラを備えた出力ジャンプを示す、図５ａに類似の曲線である。
【図６ｂ】
放射コントローラを備えた出力ジャンプを示す、図５ｂに類似の曲線である。
【図７】
前制御ユニットの図表である。
【図８】
拡張された前制御ユニットの図表である。
【符号の説明】
１　加熱装置、　２　半導体ウェーハ、　３　プロセスチャンバ、　５　保持エレメント、　７　ランプ列、　８　ランプ列、　１０　ランプ用高温計、　１１　ウェーハ用高温計、　１２　信号評価回路、　２０　制御回路、　２５　ランプモデル、　２６　高温計、　２８　モデル最適化ユニット、　３０　放射コントローラ、　４０　測定ユニット、　４３　結合・測定ユニット、　４５　点、　４７　ＰＩＤ温度コントローラ、　５０，５０ａ，５０ｂ　前制御コントローラ、　５４　点、　５５ａ，５５ｂ　コントローラ、　５６　分配ユニット
【図３】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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2004503101.tif 000033
【手続補正書】
【提出日】平成14年9月27日(2002.9.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウェーハを、設定された温度経過で熱処理し、半導体ウェーハの温度を、温度制御装置と、加熱装置および対象物から成るシミュレーションモデルに基づくフィードフォワード制御装置とによって制御して、半導体ウェーハを急速加熱装置内で熱処理するための方法において、シミュレーションモデルが、少なくとも１つの個別モデルを有しており、該個別モデルが、加熱装置のかつ／または半導体ウェーハの成分を有しており、少なくとも１つの個別モデルの少なくとも１つのパラメータを熱処理の間に監視し、シミュレーションモデルを、少なくとも監視されたパラメータに適合させることを特徴とする、半導体ウェーハを急速加熱装置内で熱処理するための方法。
【請求項２】
半導体ウェーハに少なくとも１つの加熱ランプを照射する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
少なくとも１つの加熱ランプに対して個別モデルが設けられており、加熱ランプの運転パラメータ、特に放射された加熱出力を監視する、請求項２記載の方法。
【請求項４】
処理したい半導体ウェーハのパラメータ、特に半導体ウェーハの光学的な特性を監視する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
加熱放射への半導体ウェーハの結合を検出する、請求項４記載の方法。
【請求項６】
半導体ウェーハの、互いに反対の側に位置する面おけるパラメータを互いに別個に検出する、請求項４または５記載の方法。
【請求項７】
データ伝送時間および／または演算時間を検出する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
４００℃未満の半導体ウェーハの温度を追補的に算出する、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
半導体ウェーハ（２）を熱処理するための装置であって、加熱装置（１）、特に急速加熱装置と、制御ユニットとが設けられており、該制御ユニットが、ＰＩＤコントローラ（４７）とフィードフォワードコントローラ（５０）とを備えており、該フィードフォワードコントローラ（５０）が、加熱装置（１）と半導体ウェーハ（２）とから成るシミュレーションモデルを使用している形式のものにおいて、加熱装置（１）のかつ／または半導体ウェーハ（２）の成分の、シミュレーションモデルに対して重要なパラメータを走査し、測定されたパラメータをシミュレーションモデルのパラメータと比較しかつシミュレーションモデルのパラメータを、測定されたパラメータに適合させるための少なくとも１つの監視ユニットが設けられていることを特徴とする、半導体ウェーハを熱処理するための装置。
【請求項１０】
少なくとも１つの加熱ランプが設けられている、請求項９記載の装置。
【請求項１１】
監視ユニットが、少なくとも１つの加熱ランプの運転パラメータ、特に放射された加熱出力を測定するための少なくとも１つのセンサ（１０）を有している、請求項１０記載の装置。
【請求項１２】
監視ユニットが、処理したい半導体ウェーハ（２）のパラメータ、特に半導体ウェーハ（２）の光学的な特性を測定するための少なくとも１つのセンサ（１１）を有している、請求項９から１１までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１３】
半導体ウェーハの、互いに反対の側に位置する面おけるパラメータを検出するために、２つのセンサが設けられている、請求項１２記載の装置。
【国際調査報告】
2004503101.tif 000034
2004503101.tif 000035
2004503101.tif 000036
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