(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱ランプが円形状ランプで、平面状又は非平面状でかつ同心円状に一本以上配置した加熱ランプ配列を含むランプユニットが被加熱物である試料の片面又は両面に配置されており、
前記被加熱物の各温度における最良の均一加熱温度を得るための前記加熱ランプへ供給する電力分布について予め温度校正を行い、所望の温度における被加熱物温度分布及び温度安定制御定数とともに温度校正表として算出する温度校正表算出手段と、
該温度校正表を記憶する記憶手段と、
前記被加熱物を加熱処理する際、前記被加熱物上の一点を測定して測定温度を得る非接触式ファイバー温度計又は接触式熱電対と、
前記被加熱物を加熱処理する際、設定温度における最適な前記加熱ランプに対する供給電力分布を前記測定温度に基づいて前記温度校正表から得て前記加熱ランプを前記供給電力分布に応じて制御する制御手段と、
を有することを特徴とする高速ランプ加熱処理装置。
【請求項２】
円形状の加熱ランプが前記被加熱物の片面側に配置されている際には、前記被加熱物の他面側に直線型の加熱ランプを配置するようにしたことを特徴とする請求項１記載の高速ランプ加熱処理装置。
【請求項３】
同心円状に配置した加熱ランプのうちの一本又は全部の加熱ランプが、１円周内で複数に分割していることを特徴とする請求項１又は２記載の高速ランプ加熱処理装置。
【請求項４】
加熱ランプが円形状ランプで、平面状又は非平面状でかつ同心円状に一本以上配置した加熱ランプ配列を含むランプユニットが被加熱物である試料の片面又は両面に配置され、前記加熱ランプを用いて前記被加熱物を加熱処理する際に用いられる高速ランプ加熱処理方法であって、
前記被加熱物の各温度における最良の均一加熱温度を得るための前記加熱ランプへ供給する電力分布を、予め温度校正を行って所望の温度における被加熱物温度分布及び温度安定制御定数とともに温度校正表としてメモリに記憶する第１のステップと、
前記被加熱物を加熱処理する際、前記被加熱物上の一点を非接触式ファイバー温度計又は接触式熱電対で測定して測定温度を得る第２のステップと、
前記被加熱物を加熱処理する際、設定温度における最適な前記加熱ランプに対する供給電力分布を前記測定温度に基づいて前記温度校正表から得て前記加熱ランプを前記供給電力分布に応じて制御する第３のステップと、
を有することを特徴とする高速ランプ加熱処理方法。
【請求項５】
円形状の加熱ランプが前記被加熱物の片面側に配置されている際には、前記被加熱物の他面側に直線型の加熱ランプを配置するようにしたことを特徴とする請求項４記載の高速ランプ加熱処理方法。
【請求項６】
同心円状に配置した加熱ランプのうちの一本又は全部の加熱ランプが、１円周内で複数に分割されていることを特徴とする請求項４又は５記載の高速ランプ加熱処理方法。
【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ＩＣ製造工程または液晶パネル製造工程で、高速加熱処理工程、あるいは薄膜製造工程で使用する高速ランプ加熱処理装置及び高速ランプ加熱処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の高速ランプ加熱処理装置は直線型ランプを用いているため、特に円形の被加熱物を均一な温度分布に制御することは難しかった。半導体ＩＣ製造に用いられるシリコンウエハー（以下ウエハー）は円形で、加熱した場合、その温度分布は同心円状になる。直線型ランプで円形のウエハーを均一加熱する場合の温度分布制御は難しく、そのため、市販装置ではウエハーの上下に直線型ランプを直交するように配置して加熱する方法が一般的である。（’９４最新半導体プロセス技術／プレスジャーナル刊／ｐ２６４）このような従来の方式では温度制御できる範囲は所詮矩形であることに変わりなく、同心円状になるウエハーの温度分布を均一にすることは難しかった。これは主に、ウエハーの放熱分布も同心円状のなるため、これを従来の高速ランプ加熱処理装置のような直線型ランプで、同心円状の放熱分布を制御することは原理的に困難である。
【０００３】
特に、高速加熱（数十度／秒程度以上）による温度上昇中のウエハー内温度分布を均一にするためには、簡単にこの同心円状の温度分布を最適に制御できる方式でなくてはならないが、従来の直線型ランプを用いたものでは限界があった。又、豆電球状ランプを多数個並べ加熱処理する装置があるが、加熱均一性を得るためランプ個数が非常に多く、その制御は繁雑で難しく、かつランプ供給電力制御器が多く必要でありコストも高かった。また、量産で実際にウエハーを処理する前にダミーウエハーに熱電対を付けて加熱し、均一な温度分布が得られるようなランプへの供給電力を調べる温度校正が必要である。従来の高速ランプ加熱処理装置は、円形のウエハーを直線型ランプで加熱するため、前述のように精密なウエハー内温度制御は難しく、温度校正には時間がかかった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
半導体ＩＣ製造工程の高速処理において、円形の被加熱物（ウエハー）を処理するのに直線型ランプで加熱処理するため、精密なウエハー内温度分布制御が難しく限界がある。
【０００５】
また、高速加熱処理装置では、量産で実際にウエハーを処理する前にダミーウエハーに熱電対を付けて加熱し、均一な温度分布が得られるようなランプへの供給電力を調べる温度校正が必要である。従来の高速ランプ加熱処理装置は、円形のウエハーを直線型ランプで加熱するため、前述のように精密なウエハー内温度制御は難しく、温度校正には時間がかかった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明では、円形の被加熱物（ウエハー）を加熱し、温度分布を制御するために最適な円形状ランプを同心円状に配置した高速ランプ加熱処理装置とした。また、円形状ランプの周囲に直線型ランプを平面状または非平面状に配置しても良い。また、本発明では円形状ランプを分割することで、ウエハーの半径方向の温度分布制御のみでなく、円周方向の微妙な温度変化またはウエハーの中心対称でない時の温度分布の制御も可能とした。
【０００７】
また、本発明では、高速加熱処理で正確に均一な温度分布が得られるかを予め確かめ、その際の各ランプへの供給電力を調べ、かつ加熱時に高速でフィードバックをかけねばならないが、これをコンピューターを用いて自動的に行い、簡単にしかも迅速に行えるようにした。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明では、円形状ランプを同心円状に配置し、各ランプへの供給電力を個別に制御するため、各ランプ毎に電力制御器を持つ。高速加熱処理の繰り返しを行う前に、熱電対埋め込みウエハーを用いて温度校正を行う。温度校正は、まず、ウエハー上で照射光強度が均一となるような各ランプ供給電力を計算し、その最大、最小値を前記の各ランプ毎の電力制御器に加える。この場合、実際のウエハー内温度分布はウエハー端からの放熱により、ウエハー端温度が下がった凸状分布になる。次に可能な最大最小の温度範囲内で５０℃または１００℃間隔の各温度で熱電対埋め込みウエハーを加熱し、ウエハー中心温度とウエハー端温度の差が凸状温度分布と同一な凹状ウエハー内温度分布になるような各ランプ電力を計算し、その値を前記の各ランプ毎の電力制御器に加える。この２つの凹凸状の温度分布の中間の温度分布が得られるような各ランプ電力（凹凸温度分布になる各ランプの電力の平均値）を加えて、その時のウエハー内温度分布を測定する。得られたウエハー内温度分布（各ランプ電力分布）をもう一度前に得られている凹凸温度分布との中間の温度分布が得られる各ランプ電力を計算して各ランプに電力を加えてウエハー内温度分布を測定する。以下同様にして、ウエハー内温度分布が０に近づくまで繰り返す。これらの操作は全てコンピューターで行い、最初にウエハーが均一なランプ照射光分布となるような各ランプ電力を計算し、コンピューターにインプットする以外は自動的に行える。
これらの各温度で測定されたウエハー内最良温度分布とランプへの供給電力および温度安定制御定数（Ｐ、Ｉ、Ｄ）を表にしたものをコンピューターに記憶しておく。この表は各温度に対してランプ電力、ＰＩＤ各定数ともＴの関数であり、各不連続データーをＴに関する連続関数上の点に一致させることはコンピューターでは容易にできることが知られている。これらの連続関数から逆に任意のＴに対してランプ電力、ＰＩＤ各定数が求められるようにした表を温度校正表とする。
【０００９】
本発明によれば、量産用ウエハーを熱処理する際は、接触式熱電対または非接触式温度計でウエハー温度を測定し、設定温度に従ってコンピューターから最良ウエハー温度分布が得られる各ランプへのパワー分布を前述の温度校正表から読み出し、自動的に加熱処理される。
【００１０】
【実施例】
以下、添付図面に従って一実施例を説明する。図１，２の１は円形状ランプ、２はランプへの電流導入のための電極、３は水冷のランプ光反射板、４はランプ光透過石英ガラスである。５がランプ光で加熱されるウエハー、６，７はそれぞれウエハー中心と端部表面及び裏面の中心温度を測定するための非接触式光ファイバー温度計の温度検知部、８はウエハー裏面中央の温度測定用接触式熱電対である。
【００１１】
１つの円形状ランプはそれぞれ電力制御器に接続され、各電力制御器はウエハー温度測定器６，７，８で測定した温度を電圧または電流に変換した信号により、各ランプへの電力を出力する。各ランプの電力制御器への前記信号は各設定温度での電力制御器への最適な電圧または電流と比較することにより設定温度にウエハーを加熱することができる。
【００１２】
１つの円形状ランプはそれぞれ電力制御器を持つが、ウエハー中心対称の温度分布が予想される場合は、１円周状で２本以上、複数に分割してあっても、ランプを電気的並列接続として電力制御器は１つにできる。
【００１３】
１つの円形状ランプを分割して各々のランプに１つずつ電力制御器を接続する目的は、特にガスを流してウエハーを加熱処理する場合の温度分布を制御するためである。ガス流れの上流側のウエハー部温度は下がるため、円形状ランプを分割しておき、非接触光ファイバー式温度計６でウエハーのガス上流側のウエハー部の温度を電圧または電流に変換した信号で上流側のランプ１ａ、１ｂの供給電力を電力制御器で制御すれば、ウエハー内の温度を制御できる。この実施例では外周２本のランプを３分割しているが、さらに細かくランプを分割して温度制御の精密度を上げることもできる。
【００１４】
図３〜７に従って温度校正法の実施例について説明する。図３，４，６，７の横軸Ｘは、加熱されるウエハー上でのウエハー中心を通る水平方向の位置Ｘ、図３，６の縦軸は各ランプへの供給電力をランプ長で割った各ランプの平均電力Ｐである。図４，５，７の縦軸はウエハー上の温度Ｔを示す。各プロットのＸ軸の範囲は図３，６ではランプ径３３８ｍｍ（外径）であるからＸ０を中心として±１６９ｍｍ、図４，７ではウエハー径２００ｍｍのためＸ０を中心として±１００ｍｍである。
【００１５】
まず、ウエハー内のランプ照射密度を一定となるように、各ランプへの電力を各ランプ長で割った平均電力がランプ間で同一となるようにして電力を供給してウエハーを加熱する。その時の各ランプの平均電力の最大（Ｐｍａｘ）、最小（Ｐｍｉｎ）をＸ軸方向にプロットしたグラフが図３である。
【００１６】
図３のＰｍａｘ，Ｐｍｉｎに対して熱電対埋め込みウエハーを使ってウエハー内各点の温度を測定し、ウエハー上温度分布（それぞれ温度分布Ｔｍａｘ（Ｘ）、Ｔｍｉｎ（Ｘ））をプロットしたのが図４である。ウエハー端からの放熱があるため、図のようにウエハー端での温度は下がる。また、高温ほどウエハー端からの放熱は大きくなる。
【００１７】
φ２００ウエハーを加熱する場合、中心はＸ０＝１０（ｃｍ）、ウエハー端をＸｅ＝２０（ｃｍ）と表せば、図４のＴｍａｘ（Ｘ）、Ｔｍｉｎ（Ｘ）の温度分布での最高温度及び最低温度をそれぞれＴ０ｍａｘ（＝Ｔｍａｘ（Ｘ０）），
Ｔｅｍａｘ（Ｔｍａｘ（Ｘｅ）），Ｔ０ｍｉｎ（＝Ｔｍｉｎ（Ｘ０））、
Ｔｅｍｉｎ（＝Ｔｍｉｎ（Ｘｅ））とする。横軸をランプ平均電力Ｐ、縦軸をウエハー上温度Ｔとして、図５のようなグラフが得られる。図５のグラフから、各ランプ間の平均電力は一定として平均電力を変化させた時のウエハー中心とウエハー端温度が判る。また、ウエハーの部分的昇温のために必要な個別ランプの供給電力の目安を与える。ただし、このデーターに従ってウエハー端温度を補正するためにウエハー端を照射するランプの電力を増加させるとウエハー中心は端に比べて放熱が小さいため、ウエハー中心付近の温度が上がり、部分的にランプの電力を増加させるのであるから図５のデーターからだけではウエハー内温度分布は均一にならない。
【００１８】
次に、ウエハーを加熱制御したい温度範囲のある温度Ｔ１にウエハー中心温度を設定する。図５からウエハー中心温度Ｔ１（＝Ｔ１（Ｘ０））に対する全ランプに同一な平均電力ＰＴ１によりウエハーを加熱すれば良く、その時の温度分布をＴ１（Ｘ）とする。Ｔ１（Ｘ）に対応する各ランプへの電力分布をＰＴ１（Ｘ）のように表し、今ＰＴ１一定であるから、図３の点線で示すようにＰＴ１（Ｘ）＝ＰＴ１である。
【００１９】
Ｔ１（Ｘ）はウエハー端で温度が下がっているので、今度はウエハー端の温度が上がった温度分布を作る。そのために、ＰＴ１（Ｘ）に
（０．００１ｋ（Ｘ−Ｘ０）２＋１）をかけてランプ電力がウエハー中心から端に向かって増加するようにする。ｋは正の整数とする。
Ｐ’Ｔ１（Ｘ）＝（０．００１ｋ（Ｘ−Ｘ０）２＋１）ＰＴ１（Ｘ）に対応するウエハー内温度分布をＴ１’（Ｘ）とする。Ｐ’Ｔ１（Ｘ）のランプ電力分布でウエハーを加熱し、図７のグラフで示すように、
ΔＴ＝｜Ｔ１’（Ｘｅ）−Ｔ１’（Ｘ０）｜≧｜Ｔ１（Ｘｅ）−Ｔ１（Ｘ０）｜となるまでｋを変化して加熱、温度測定を繰り返す。得られた凹状のウエハー内温度分布をＴ１’（Ｘ）、ランプ電力分布をＰＴ１’（Ｘ）とする。
【００２０】
次に、２つの凹凸のウエハー内温度分布Ｔ１（Ｘ）、Ｔ１’（Ｘ）の中間の温度分布となるようなランプ電力分布を設定する。そのためには、それぞれの温度分布に対応するランプ電力分布ＰＴ１（Ｘ）、ＰＴ’１（Ｘ）のＸの各位置での平均のランプ電力を計算し、ウエハーを加熱する。こうして得られたランプ電力分布とウエハー内温度分布をそれぞれ図６，７で示すようにＰ１Ｔ１（Ｘ）、Ｔ１１（Ｘ）とする。その次はＴ１１（Ｘ）に対してＴ１（Ｘ）とＴ１’（Ｘ）それぞれの中間の２つの温度分布が得られるようなランプ電力分布（ＰＴ１（Ｘ）とＰ１Ｔ１（Ｘ）の中間およびＰＴ１’（Ｘ）とＰ１Ｔ１（Ｘ）の中間の電力分布にすれば良い）で加熱し、ウエハー内温度分布を測定する。同様にして、次々とＴ１１（Ｘ）に対して新しく得られた温度分布との間の中間の温度分布を測定し、その温度分布間の温度差が１℃まで続ける。こうして得られた温度分布で、Ｔ１１（Ｘ）も含め、前述と同様のウエハー中心温度と端温度の差ΔＴが最小の温度分布をＴｘ１（Ｘ）とする。Ｔｘ１（Ｘ０）は初めのＴ１（Ｘ）に対して周辺のランプ電力を増加させ、ウエハー中心のランプ電力はそのままであるから、Ｔ１（Ｘ０）＜Ｔｘ１（Ｘ０）となる。
以上述べたように凹凸状のウエハー内温度分布を作るのは、凸状のウエハー内温度分布から徐々に周辺の温度を上げて平坦なウエハー内温度分布を作るよりも精密度を上げるのが速いためである。前記のランプ電力分布の式
Ｐ’Ｔ１（Ｘ）＝（０．００１ｋ（Ｘ−Ｘ０）２＋１）ＰＴ１（Ｘ）において、ｋ＝１の変化でウエハー端でのランプ電力変化は１０％であり、少しずつ平坦な温度分布に近ずけるにはより細かくランプ電力分布を変化させながらウエハー内温度分布を測定する必要があることが判る。
【００２１】
初めの目標温度Ｔ１とは異なるＴｘ１でウエハー内温度均一な温度分布Ｔｘ１（Ｘ）とランプ電力分布ＰＸＴ１（Ｘ）が得られる。このようにして４００℃から１００℃ごとに８００℃までの間でウエハー内温度均一な温度分布Ｔｘ（Ｘ）とランプ電力分布ＰＸ（Ｘ）がそれぞれ得られる。各温度で、熱電対埋め込みウエハーによるウエハー中心温度、非接触式光ファイバー温度計によるウエハー中心及び端温度を表にしてコンピューターに記憶する。ランプ電力、ＰＩＤ定数はウエハー温度Ｔの関数になっているから、不連続データーに一致する関数を求めれば、逆に任意の温度でのランプ電力、ＰＩＤ定数が得られる。このようにして、設定温度４００℃から１０℃間隔で８００℃までのランプ電力、ＰＩＤ定数、及び各設定温度に対応する接触式、非接触式温度計による温度を記録した温度校正表が完成する。
【００２２】
量産用ウエハーを加熱処理する時は、前記熱電対埋め込みウエハーを取り出し、代わりに量産用ウエハーを置く。設定した各温度で、前記温度校正表から最適な各ランプ供給電力に対応した前記信号が各ランプの電力制御器へウエハー上中心の一点を非接触式光ファイバー温度計６，７または接触式熱電対８で測定した温度を元にして、コンピューターから出力される。一度温度校正表を作ったウエハーと同じ放射率を持つウエハーを繰り返し加熱処理する場合には、非接触式光ファイバー温度計６または７の測定によるウエハー温度のみで、前記温度校正表から各ランプへのウエハー内最良温度分布になる電力出力が前記信号として読み出され、各ランプ電力が制御されるため、接触式熱電対８は使用しなくても良い。
【００２３】
本発明の高速ランプ加熱処理装置で前記量産用ウエハーを加熱処理する場合、最適な各ランプ供給電力は非接触式光ファイバー温度計６，７によりウエハー５の表裏の温度を測定することにより、ウエハー５の表と裏をそれぞれ専用のランプで独立に異なった電力で加熱する。前述の温度校正でもウエハーの表と裏のランプ供給電力分布は異なり、温度校正表にはそれぞれ別のランプ電力分布が記録される。そのため、従来よりも良い温度均一性がウエハー５の表と裏で実現でき、ウエハー５内またはウエハー５深さ方向の不純物分布の変化があるウエハー５、あるいは表裏の表面状態の異なるウエハー５でも昇降温中の反りが発生しない。
【００２４】
ガス流れによりウエハーの上流部が冷却される場合は、非接触式光ファイバー温度計によりウエハー表面端（ガス上流側）の温度を測定し、温度校正表に記録されている設定温度でのウエハー表面端と比較し、その差が０になるように図１のランプ１ａ、１ｂのランプ電力を独立に制御し、温度を均一にできる。
【００２５】
【発明の効果】
上述のように、本発明により、特に円形の被加熱物（ウエハー）を加熱処理する際、円形状ランプを使用するため、従来装置よりもウエハー内温度分布が良くなった。
【００２６】
また、本発明によれば、高速加熱処理中に最適なランプ電力をコンピューターから自動的に出力するための温度校正表を用いるために、従来のものより均一なウエハー内温度分布で、かつ昇降温中でも均一なウエハー内温度分布が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高速ランプ加熱処理装置に用いる円形状ランプの一実施例を示す上面図である。
【図２】本発明の高速ランプ加熱処理装置の一実施例を示す断面図である。
【図３】温度校正で最初にランプに加える電力分布である。
【図４】温度校正で最初にランプに加えた電力分布でのウエハー内温度分布である。
【図５】ウエハー中心及び端温度とランプ平均電力との関係図である。
【図６】温度Ｔ１で凹凸状とその中間のウエハー内温度分布を与えるランプ電力分布図である。
【図７】温度Ｔ１での凹凸状温度分布及びその中間温度分布図である。
【符号の説明】
１．円形状ランプ
２．電極
３．水冷ランプ光反射板
４．ランプ光透過石英ガラス
５．ウエハー
６．ウエハー中央と端部表面温度測定用非接触式光ファイバー温度計温度検知部
７．ウエハー中央裏面温度測定用非接触式光ファイバー温度計温度検知部
８．ウエハー中央裏面温度測定用の接触式熱電対
【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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