(57)【要約】【課題】  被処理物の温度を推定し、装置内の各種状態に影響を受けない温度制御を行う。【解決手段】  被処理物を加熱する加熱手段と、加熱手段の温度を検出する第１検出手段を有する気相成長装置であって、気相成長装置は、当該気相成長装置の状態を検出する第２検出手段と、第１検出手段で検出された温度と、第２検出手段で検出された状態に基づいて、被処理物の表面温度を推定する温度推定手段と、温度推定手段で推定した表面温度を、予め定められた目標温度になるよう加熱手段を制御する温度制御手段によって解決する。【選択図】  図２
2013012617.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理物を加熱する加熱手段と、
前記加熱手段の温度を検出する第１検出手段を有する気相成長装置であって、
前記気相成長装置は、
該気相成長装置の状態を検出する第２検出手段と、
前記第１検出手段で検出された温度と、前記第２検出手段で検出された状態に基づいて、前記被処理物の表面温度を推定する温度推定手段と、
前記温度推定手段で推定した表面温度を、予め定められた目標温度になるよう前記加熱手段を制御する温度制御手段を有することを特徴とする気相成長装置。
【請求項２】
前記温度推定手段は、
前記被処理物の表面温度を算出する温度推定モデルを複数有し、
前記加熱手段を稼働させてからの経過時間に応じて、複数の前記温度推定モデルの中から１つのモデルを選択することを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。
【請求項３】
前記温度推定手段は、
前記被処理物の材質によって異なる複数の前記被処理物の表面温度を算出する温度推定モデルを複数有することを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。
【請求項４】
前記気相成長装置は、
前記温度推定手段で推定した表面温度を表示する表示手段を有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の気相成長装置。
【請求項５】
前記気相成長装置は、
前記温度推定手段で推定した表面温度を記憶する記憶手段を有することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の気相成長装置。
【請求項６】
前記気相成長装置は、
前記温度推定手段で推定した表面温度が予め定められた範囲を逸脱した場合に、警告音を出力する出力手段を有することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の気相成長装置。
【請求項７】
被処理物を加熱する加熱手段と、
前記加熱手段の温度を検出する第１検出手段を有する気相成長装置の温度制御方法であって、
前記気相成長装置は、
該気相成長装置の状態を検出する第２検出手段を有し、
前記温度制御方法は、
前記第１検出手段で検出された温度と、前記第２検出手段で検出された状態に基づいて、前記被処理物の表面温度を推定する温度推定ステップと、
前記温度推定ステップで推定した表面温度を、予め定められた目標温度になるよう前記加熱手段を制御する温度制御ステップを有することを特徴とする温度制御方法。
【請求項８】
被処理物を加熱する加熱手段と、
前記加熱手段の温度を検出する第１検出手段を有する気相成長装置で実行される温度制御プログラムであって、
前記気相成長装置は、
該気相成長装置の状態を検出する第２検出手段を有し、
前記温度制御プログラムは、
前記第１検出手段で検出された温度と、前記第２検出手段で検出された状態に基づいて、前記被処理物の表面温度を推定する温度推定ステップと、
前記温度推定ステップで推定した表面温度を、予め定められた目標温度になるよう前記加熱手段を制御する温度制御ステップを有することを特徴とする温度制御プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被処理物の温度状態を制御する気相成長装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体デバイスの製造において、原料ガスを反応室内に供給し、化合物半導体結晶を成長させる気相成長装置が用いられている。
【０００３】
気相成長装置を用いて被処理基板上に化合物半導体結晶を成長させる場合、反応室内の基板保持体に被処理基板が載置される。その後、アクチュエータによって基板保持体が回転させられるとともに、反応室に原料ガスが供給される。そして、供給された原料ガスは、被処理基板からの熱により加熱され、化学反応が起こり、被処理基板上に半導体結晶が成長し成膜される。
【０００４】
このような気相成長装置では、温度センサが検出する検出温度に基づいて、被処理基板の表面温度が目標温度になるように加熱ヒータの発熱量を制御する温度制御が成されている。
【０００５】
温度制御に用いられる温度センサは、被処理基板の表面温度を直接的に検出する温度センサを用いる方が望ましい。しかしながら、接触タイプの温度センサを用いると接触面周辺の成膜ができなくなる等の問題が生じる。また、パイロメータに代表される非接触タイプの温度センサは高価であってコスト面で不利となってしまう。
【０００６】
このことから、従来の気相成長装置では、加熱ヒータに取り付けられている接触タイプの温度センサが検出する検出温度に基づいて、被処理基板の表面温度を推定し、当該推定した表面温度が目標温度になるように加熱ヒータの発熱量を制御している。
【０００７】
特許文献１には、複数の処理手段を用いて被処理物を加熱し、被処理物の温度を所望の温度に制御する制御装置について記載されている。
【０００８】
特許文献１によれば、処理手段の温度を検出する複数の温度センサの検出温度に基づいて、前記処理手段で処理される被処理物の各処理点温度を推定し、推定された温度から平均温度および傾斜温度を算出し、各ＰＩＤ制御手段は、それぞれ平均温度または各傾斜温度が目標値になるように操作信号を出力し、配分手段によって、各ＰＩＤ制御手段による制御が、他のＰＩＤ制御手段の制御に影響を与えないように、処理手段に操作を加える各操作手段に各ＰＩＤ制御手段からの操作信号を配分するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−１５７００１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１に記載されている被処理物の温度推定方法では、温度状態を除く装置の各種状態について考慮が成されていない。
【００１１】
したがって、例えば反応室内の圧力、原料ガスを供給する流量、基板保持体の回転速度などの装置の各種状態によって、被処理物の温度を実際の温度と異なって推定してしまうという課題があった。
【００１２】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、気相成長装置などの製造装置において、被処理物の温度を推定し、装置内の各種状態に影響を受けない温度制御を行うことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の気相成長装置は、被処理物を加熱する加熱手段と、加熱手段の温度を検出する第１検出手段を有する気相成長装置であって、気相成長装置は、当該気相成長装置の状態を検出する第２検出手段と、第１検出手段で検出された温度と、第２検出手段で検出された状態に基づいて、被処理物の表面温度を推定する温度推定手段と、温度推定手段で推定した表面温度を、予め定められた目標温度になるよう加熱手段を制御する温度制御手段を有することを特徴とする。
【００１４】
好ましくは、温度推定手段は、表面温度を算出する温度推定モデルを複数有し、前記加熱手段を稼働させてからの経過時間に応じて、複数の温度推定モデルの中から１つのモデルを選択することを特徴とする。
【００１５】
また、好ましくは、温度推定手段は、被処理物の材質によって異なる複数の被処理物の表面温度を算出する温度推定モデルを有することを特徴とする。
【００１６】
また、好ましくは、本発明の気相成長装置は、温度推定手段で推定した表面温度を表示する表示手段を有することを特徴とする。
【００１７】
また、好ましくは、本発明の気相成長装置は、温度推定手段で推定した表面温度を記憶する記憶手段を有することを特徴とする。
【００１８】
また、好ましくは、本発明の気相成長装置は、温度推定手段で推定した表面温度が予め定められた範囲を逸脱した場合に、警告音を出力する出力手段を有することを特徴とする。
【００１９】
さらに、本発明の温度制御方法は、被処理物を加熱する加熱手段と、加熱手段の温度を検出する第１検出手段を有する気相成長装置の温度制御方法であって、気相成長装置は、当該気相成長装置の状態を検出する第２検出手段を有し、温度制御方法は、第１検出手段で検出された温度と、第２検出手段で検出された状態に基づいて、被処理物の表面温度を推定する温度推定ステップと、温度推定ステップで推定した表面温度を、予め定められた目標温度になるよう加熱手段を制御する温度制御ステップを有することを特徴とする。
【００２０】
さらに、本発明の温度制御プログラムは、被処理物を加熱する加熱手段と、加熱手段の温度を検出する第１検出手段を有する気相成長装置で実行される温度制御プログラムであって、気相成長装置は、当該気相成長装置の状態を検出する第２検出手段を有し、温度制御プログラムは、第１検出手段で検出された温度と、第２検出手段で検出された状態に基づいて、被処理物の表面温度を推定する温度推定ステップと、温度推定ステップで推定した表面温度を、予め定められた目標温度になるよう加熱手段を制御する温度制御ステップを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の気相成長装置では、例えば反応室内の圧力、原料ガスを供給する流量、基板保持体の回転速度などの装置の各種状態を検出し、当該検出された状態に基づいて被処理物の表面温度を推定していることから、被処理物の製造が成される環境に影響を受けない温度制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態に係る気相成長装置の概略構成を示す図である。
【図２】温度調整器の各部の詳細構成を示す図である。
【図３】温度推定モデルの概略構成を示す図である。
【図４】モデル管理情報のデータ構造を示す図である。
【図５】初期設定部の処理手順を示すフローチャート図である。
【図６】基板温度推定部の処理手順を示すフローチャート図である。
【図７】基板温度調整部の処理手順を示すフローチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。なお、処理内容の説明においては、「ステップ」を「Ｓ」で表し、各々の処理を数字で区別している。
【００２４】
図１は、本発明の実施の形態に係る気相成長装置１０の概略構成を示し、以下に説明する。
【００２５】
気相成長装置１０は、ガス導入口２４から導入された原料ガスを、複数のガス流路２５から均一に反応室３１に供給するよう構成されている。
【００２６】
そして、反応室３１の下部中央には不図示のアクチュエータによって回転自在の回転軸４２が設けられ、回転軸４２の先端には、複数のガス流路２５から原料ガスが供給される面と対向するようにして、被処理基板４１が載置された円盤状の基板保持体４０が取り付けられている。さらに、基板保持体４０の下方には基板保持体４０を加熱するための加熱ヒータ５０が取り付けられている。ここで、加熱ヒータ５０は、不図示の電源から電力供給を受けて、ヒータ駆動回路５１によって発熱量が調整される。
【００２７】
また、気相成長装置１０には、加熱ヒータ５０の温度又は消費電力を計測する温度センサ６０、基板保持体４０の回転速度又はアクチュエータの消費電力を計測する回転速度センサ６５、反応室３１内部の圧力を計測する圧力センサ６６、ガス流路２５から反応室３１に供給される原料ガスの流量を計測する流量センサ６７などの各種センサが各部要所に設けられている。
【００２８】
さらに、気相成長装置１０には、被処理基板４１の表面温度を制御するために温度調整器７０が設けられている。
【００２９】
当該温度調整器７０は、加熱ヒータ５０の発熱量を制御するための温度制御コントローラ７１と、目標温度などの各種情報を記憶する記憶手段７５を含んで構成されている。また、目標温度などの各種情報を入力するための入力手段８０、被処理基板４１の推定温度などの各種情報を表示するための表示手段８１、異常が生じたときに警告音を出力するための音声出力手段８２なども含んでいる。
【００３０】
ここで、温度調整器７０の各部は、たとえば気相成長装置の挙動を監視する監視装置の一部の構成物とする等、気相成長装置とは別の装置の構成物としても構わない。
【００３１】
図２は、温度調整器７０の温度制御コントローラ７１と記憶手段７５の詳細構成を示し、以下に詳述する。
【００３２】
温度制御コントローラ７１には、入力手段８０から出力される利用者の操作情報や記憶手段７５に記憶されている各種情報に基づいて温度制御のための初期設定等を行う初期設定部７２を含んでいる。
【００３３】
また、温度センサ６０を含む各種センサから出力される信号に基づき被処理基板４１の表面温度を推定する基板温度推定部７３を含んでいる。
【００３４】
そして、基板温度推定部７３によって推定された推定温度Ｔｅｍｐと記憶手段７５に記憶されている目標温度に基づきヒータ駆動回路５１に制御信号を出力することで、加熱ヒータ５０の発熱量を制御する基板温度調整部７４を含んで構成されている。
【００３５】
一方、記憶手段７５には、利用者によって予め設定された目標温度を記憶するための目標温度記憶域７６を含んでいる。
【００３６】
また、基板温度推定部７３で推定された推定温度を逐次記憶するための推定温度記憶域７７を含んでいる。
【００３７】
また、温度センサ６０を含む各種センサから出力される信号に基づき被処理基板４１の表面温度を推定するために用いる複数の温度推定モデルが記憶されているモデル記憶域７８を含んでいる。
【００３８】
そして、当該モデル記憶域７８に記憶されている温度推定モデルに関する管理情報が記憶されているモデル管理情報記憶域７９を含んで構成されている。
【００３９】
図３は、モデル記憶域７８に記憶されている温度推定モデルＭｆの概略構造を示し、以下に説明する。
【００４０】
温度推定モデルＭｆは、たとえば加熱ヒータ５０を稼働させた時点を基点とする経過時間ｔと、温度センサ６０から出力される信号値Ｖ１、回転速度センサ６５から出力される信号値Ｖ２、圧力センサ６６から出力される信号値Ｖ３、流量センサ６７から出力される信号値Ｖ４の４つのセンサ情報を入力パラメータとし、推定温度Ｔｅｍｐを出力パラメータとする演算式として定められている。
【００４１】
ここで、当該温度推定モデルＭｆは、準備プロセス時のモデルである昇温時モデルＭＵｆと、成膜プロセス時の保温時モデルＭＫｆの２種類のモデルから構成されている。
【００４２】
これは、被処理基板４１の加熱制御や回転制御等の影響による温度変化の割合が、目標温度近傍の高温状態が維持され半導体結晶が成長している成膜プロセス中と、外気温程度の低温状態から開始される準備プロセス中で、大きく異なることに起因している。
【００４３】
つまり、温度推定モデルＭｆは、予め設定され記憶されている準備プロセス時間ＰＴＩＭＥが経過するまでの準備プロセス中は、昇温時モデルＭＵｆを用いて推定温度Ｔｅｍｐを算出する。そして、準備プロセス時間ＰＴＩＭＥが経過した以降の成膜プロセス中は、保温時モデルＭｋｆを用いて推定温度Ｔｅｍｐを算出することが可能に構成されている。
【００４４】
ここで、昇温時モデルＭＵｆを使用するか保温時モデルＭＫｆを使用するかを経過時間ｔによって選択するものとしているが、所定の許容範囲内の目標温度近傍の温度状態に到達したかどうかによって選択するものとしても構わない。
【００４５】
さらに、多くの場合、準備プロセスにおける加熱ヒータ５０の制御は、さらに詳細な複数のプロセスに細分化され、当該細分化されたプロセス単位で目標温度やプロセス時間を定めて制御が成されている。このことから、被処理基板４１の加熱処理や回転処理等の影響による温度変化の割合は、細分化されたプロセス毎に微妙に異なっている。
【００４６】
このことから、昇温時モデルＭＵｆについても同様に、細分化されたプロセス単位で推定温度Ｔｅｍｐが算出できるように複数のモデルで構成されるものとしても構わない。
【００４７】
図４は、管理情報ＭＩＮＦのデータ構造を示し、以下に説明する。
【００４８】
被処理基板４１の加熱制御や回転制御等の影響による温度変化の割合は、被処理基板４１の材質、気相成長装置１０の各種部材の材質によっても異なる。このことから、各々の温度推定モデルＭｆには、被処理基板４１や基板保持体４０の材質に係る管理情報ＭＩＮＦが付与されている。
【００４９】
モデル管理情報記憶域７９には、内容が異なる複数の管理情報ＭＩＮＦが記憶されており、それぞれの管理情報ＭＩＮＦは、モデル記憶域７８に記憶されている所定の温度推定モデルＭｆの１つと対応付けられている。
【００５０】
そして、各々の管理情報ＭＩＮＦには、利用者が温度推定モデルＭｆを識別するために用いられるモデル名ＭＮＭ、被処理基板４１の材質に関する基板材質ＰＭＩ、基板保持体４０の材質や形状に関する保持体材質ＴＭＩが記憶されている。
【００５１】
図５は、初期設定部７２の処理手順を示し、以下に説明する。
【００５２】
初期設定部７２では、モデル管理情報記憶域７９に記憶されている管理情報ＭＩＮＦの内容を表示手段８１に一覧表示し（Ｓ１００）、入力手段８０を介して利用者が選択した温度推定モデルを、被処理基板４１の表面温度を算出する時に用いる温度推定モデルＭｆとして初期設定する（Ｓ１０１）。そして、加熱ヒータ５０を予め定めた初期発熱量で稼働させるためにヒータ駆動回路５１に所定の信号を出力するとともに、加熱ヒータ５０の稼働開始からの経過時間ｔを初期化する（Ｓ１０２，Ｓ１０３）。
【００５３】
Ｓ１００からＳ１０３までの初期設定処理に続いて、被処理基板４１の表面温度を推定し、推定した推定温度と目標温度記憶域７６に記憶されている目標温度に基づく温度制御処理を行うために、基板温度推定部７３を稼働させる（Ｓ１０４）。
【００５４】
Ｓ１０４の温度制御処理に続いて、予め定めた温度制御処理を行う周期であるＴｓ時間待機し、経過時間ｔを更新する（Ｓ１０５，Ｓ１０６）。そして、入力手段８０を介して利用者によって終了指示が成されたか否かを判定し（Ｓ１０７）し、終了指示が成されていないと判定した場合には、Ｓ１０４の温度制御処理に戻る。また、終了指示が成されている場合には、処理を終了する。
【００５５】
図６は、基板温度推定部７３の処理手順を示し、以下に説明する。
【００５６】
基板温度推定部７３では、温度センサ６０、回転速度センサ６５、圧力センサ６６、流量センサ６７のセンサ情報を取得する（Ｓ２００）。
【００５７】
そして、経過時間ｔが、温度推定モデルＭｆの準備プロセス時間ＰＴＩＭＥに到達していないかどうかを判定し（Ｓ２０１）、準備プロセス時間ＰＴＩＭＥに到達していない場合には、温度推定モデルＭｆの昇温モデルＭＵｆを用いて推定温度Ｔｅｍｐを算出する（Ｓ２０２）。
【００５８】
一方、経過時間ｔが、準備プロセス時間ＰＴＩＭＥに到達している場合には、温度推定モデルＭｆの保温モデルＭＫｆを用いて推定温度Ｔｅｍｐを算出し（Ｓ２０３）、当該推定温度Ｔｅｍｐが目標温度の許容範囲を大きく逸脱していないかどうかを判定し（Ｓ２０４）、大きく逸脱している場合には、音声出力手段８２を稼働させる警告音出力処理を行い（Ｓ２０５）、エラー終了する。
【００５９】
また、昇温モデルＭＵｆを用いて推定温度を算出した場合、又は保温モデルＭＫｆを用いて推定温度を算出し当該推定温度が目標温度の許容範囲を大きく逸脱していない場合には、算出した推定温度Ｔｅｍｐを推定温度記憶域７７に記憶させるとともに、当該推定温度Ｔｅｍｐを表示手段８１に出力する（Ｓ２０６，Ｓ２０７）。そして、算出した推定温度Ｔｅｍｐをパラメータとして基板温度調整部７４を稼働させ（Ｓ２０８）、処理を終了する。
【００６０】
図７は、基板温度調整部７４の処理手順を示し、以下に説明する。
【００６１】
基板温度調整部７４では、基板温度推定部７３から出力された推定温度Ｔｅｍｐと、目標温度記憶域７６に記憶されている目標温度を比較し、推定温度Ｔｅｍｐが、予め定めた許容範囲より低温であるか、許容範囲より高温であるか、それとも許容範囲内であるかを判定する（Ｓ３００，Ｓ３０１）。
【００６２】
そして、推定温度Ｔｅｍｐが、予め定めた許容範囲より低温である場合には、ヒータ駆動回路５１に所定の信号を出力することで加熱ヒータ５０の発熱量を増大させ（Ｓ３０２）、処理を終了する。
【００６３】
一方、予め定めた許容範囲より高温である場合には、ヒータ駆動回路５１に所定の信号を出力することで加熱ヒータ５０の発熱量を減少させ（Ｓ３０３）、処理を終了する。
【００６４】
また、許容範囲内である場合には、加熱ヒータ５０の発熱量の変更処理は行わずに、処理を終了する。
【００６５】
ここで、上述した処理では、加熱ヒータ５０の発熱量を制御することによって温度調整を行うものとしている。しかしながら、たとえば成膜プロセス前の温度調整については、基板保持体４０の回転速度を制御する等によって温度の微調整や温度変化の安定化を行うものとしても構わない。
【００６６】
このように、本実施の形態に係る気相成長装置１０では、基板保持体４０の回転速度等の被制御機器の内部状態や、反応室３１内部の圧力等の被制御機器の周辺状態を検出し、当該検出された状態に基づいて被処理物の表面温度を推定していることから、被処理物の製造が成される環境に影響を受けない温度制御を行うことができる。
【００６７】
ここで、本実施の形態に係る気相成長装置の温度制御コントローラ７１は、上述した図５から図７に従う処理手順を制御プログラムとしてメモリから読み出して実行する。このような場合、温度制御コントローラ７１に読み出される、上述した図５から図７に従う制御プログラムは、本実施の形態に係る気相成長装置に付属する記録媒体に予め記録させて、プログラム製品として提供することもできる。このような記録媒体としては、ＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ  Ｄｉｓｃ）やメモリカードなどの気相成長装置で読取り可能な記録媒体がある。あるいは、本実施の形態に係る又は気相成長装置に内蔵するハードディスクなどの記録媒体に記録させて提供することもできる。さらに、インターネットを含む各種ネットワークを介するダウンロードによって提供することもできる。
【００６８】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００６９】
１０  気相成長装置
２４  ガス導入口
２５  ガス流路
３１  反応室
４０  基板保持体
４１  被処理基板
４２  回転軸
５０  加熱ヒータ
５１  ヒータ駆動回路
６０  温度センサ
６５  回転速度センサ
６６  圧力センサ
６７  流量センサ
７０  温度調整器
７１  温度制御コントローラ
７２  初期設定部
７３  基板温度推定部
７４  基板温度調整部
７５  記憶手段
７６  目標温度記憶域
７７  推定温度記憶域
７８  モデル記憶域
８０  入力手段
８１  表示手段
８２  音声出力手段
【図１】
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【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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