(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒータ部を備える加熱炉内に複数の被処理体を収容し、ヒータ部を制御して、被処理体の温度を変化させながら加熱炉内に処理ガスを供給して、被処理体に熱処理を施すバッチ式熱処理方法において、
前記加熱炉内の被処理体上の中心部の温度と周縁部の温度とを測定し、
測定した中心部の温度と周縁部の温度との差が所定値に達してから加熱炉内に処理ガスを供給して、被処理体に熱処理を施し、
前記ヒータ部を制御して、加熱炉内の温度を一旦降下した後、上昇させ、測定した前記被処理体の周縁部の温度と中心部の温度との差が所定値より大きくなった後に、前記加熱炉内に処理ガスを供給する、
ことを特徴とするバッチ式熱処理方法。
【請求項２】
ヒータ部を備える加熱炉内に複数の被処理体を収容し、ヒータ部を制御して、被処理体の温度を変化させながら加熱炉内に処理ガスを供給して、被処理体に熱処理を施すバッチ式熱処理方法において、
前記加熱炉内の被処理体上の中心部の温度と周縁部の温度とを測定し、
測定した中心部の温度と周縁部の温度との差が所定値に達してから加熱炉内に処理ガスを供給して、被処理体に熱処理を施し、
前記ヒータ部を制御して、加熱炉内の温度を一旦上昇した後、降下させ、測定した前記被処理体の中心部の温度と周縁部の温度との差が所定値より大きくなった後に、前記加熱炉内に処理ガスを供給する、
ことを特徴とするバッチ式熱処理方法。
【請求項３】
ヒータ部を備える加熱炉内に複数の被処理体を収容し、ヒータ部を制御して、被処理体の温度を変化させながら加熱炉内に処理ガスを供給して、被処理体に熱処理を施すバッチ式熱処理方法において、
前記加熱炉内の被処理体上の中心部の温度と周縁部の温度とを測定し、
測定した中心部の温度と周縁部の温度との差が所定値に達してから加熱炉内に処理ガスを供給して、被処理体に熱処理を施し、
前記ヒータ部は、縦方向に分割して配置され、独立して制御可能な複数のヒータから構成されており、
前記加熱炉内の、前記ヒータにより定義される縦方向に分割された複数のゾーン別に目標温度軌道を予め記憶し、各ゾーンの目標温度軌道に従って、前記ヒータを個別に制御し、
前記加熱炉内の複数のゾーンの所定の第１のゾーンについては、時間の経過に伴って温度を上昇させる温度目標軌道が、前記第１のゾーンよりも下方に位置する第２のゾーンについては、時間の経過に伴って温度を下降させる温度目標軌道が、それぞれ予め記憶されており、
前記温度目標軌道に従って、前記第１のゾーンについては昇温しながら、第２のゾーンについては降温しながら、前記加熱炉内に処理ガスを供給する、
ことを特徴とするバッチ式熱処理方法。
【請求項４】
ヒータ部を備える加熱炉内に複数の被処理体を収容し、ヒータ部を制御して、被処理体の温度を変化させながら加熱炉内に処理ガスを供給して、被処理体に熱処理を施すバッチ式熱処理方法において、
前記加熱炉内の被処理体上の中心部の温度と周縁部の温度とを測定し、
測定した中心部の温度と周縁部の温度との差が所定値に達してから加熱炉内に処理ガスを供給して、被処理体に熱処理を施し、
前記ヒータ部は、縦方向に分割して配置され、独立して制御可能な複数のヒータから構成されており、
前記加熱炉内の、前記ヒータにより定義される縦方向に分割された複数のゾーン別に目標温度軌道を予め記憶し、各ゾーンの目標温度軌道に従って、前記ヒータを個別に制御し、
前記加熱炉内の複数のゾーンの所定の第１のゾーンについては、時間の経過に伴って温度を下降させる温度目標軌道が、前記第１のゾーンよりも下方に位置する第２のゾーンについては、時間の経過に伴って温度を上昇させる温度目標軌道が、それぞれ予め記憶されており、
前記温度目標軌道に従って、前記第１のゾーンについては降温しながら、第２のゾーンについては昇温しながら、前記加熱炉内に処理ガスを供給する、
ことを特徴とするバッチ式熱処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハ等の被処理体を熱処理するバッチ式の熱処理方法に関し、特に、被処理体の温度を変化させながら熱処理を行うバッチ式熱処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体ウエハの表面に、酸化膜を形成したり、ドーパントの拡散を効率良く行うために、バッチ式の熱処理装置が使用される。
バッチ式の熱処理装置は、多数の半導体ウエハが載置されたウエハボートを反応管内にロードし、反応管内を所定の処理温度にまで昇温した後、処理ガスを導入して熱処理を行い、熱処理後、ウエハボートを反応管からアンロードする。
【０００３】
熱処理装置の反応管内には、温度分布や処理ガスの濃度分布が必然的に存在し、同一のウエハ上でも処理条件が異なる場合がある。処理条件が異なると、形成される膜の厚さが不均一となってしまう。
【０００４】
この問題を解決する手法として、半導体ウエハを昇温しながら（又は降温しながら）熱処理を行う方法が提案されている。
【０００５】
例えば、ウエハの温度を上昇させながら熱処理を行う場合には、ウエハの周辺部の温度がウエハの中心部の温度よりも高い状態で熱処理がなされ、一定温度で熱処理する場合よりも、ウエハの周辺部の熱処理能力が向上する。逆に、ウエハの温度を下降させながら熱処理を行う場合には、ウエハの周辺部の温度がウエハの中心部の温度よりも低い状態で熱処理がなされ、一定温度で熱処理する場合よりも、ウエハの中心部での熱処理能力が向上する。従って、一定温度で熱処理する場合に発生する膜厚のむらを相殺するような熱処理方法を選択することにより、比較的均一な厚さの膜を形成することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の熱処理装置において、昇温又は降温しながら熱処理を行う場合には、昇温又は降温を開始するとほぼ同時に処理ガスを供給している。
【０００７】
しかし、ウエハの昇温又は降温を開始した直後は、ウエハの中心と周縁部との温度が所望の関係（昇温しながら熱処理を行う場合には、周辺部温度＞中心部温度；降温しながら熱処理を行う場合には、周辺部温度＜中心部温度）が成立しておらず、場合により、温度関係が逆の状態で熱処理が行われてしまう。例えば、ウエハの周縁部に形成される膜が薄くなり易い場合に、周縁部の膜形成速度を向上するために、見かけ上昇温しながら熱処理しているにもかかわらず、実際には、ウエハの周縁部温度が中心部温度より低い状態で熱処理を行う事態が起こりうる。
【０００８】
半導体装置の小型化に伴う絶縁膜等の薄膜化により、熱処理が比較的短時間で終了する場合が増加している。例えば、近時では、ＭＯＳＦＥＴのゲート酸化膜を、数原子層だけ成長させる場合もある。このような場合には、ウエハの昇温又は降温を開始した直後に、処理ガスを導入すると、所期の温度条件と異なる条件で熱処理がほぼ完了し、所期の膜厚と異なったり、膜厚が不均一になってしまう虞がある。
【０００９】
このような問題は、成膜処理、拡散処理、エッチング処理等の熱処理全般について発生する。
【００１０】
本発明は、上記実状に鑑みてなされたものであり、被処理体の温度を変化させつつ熱処理を施す場合に、所期の処理結果が得られるバッチ式熱処理方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【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方法は、
ヒータ部を備える加熱炉内に複数の被処理体を収容し、ヒータ部を制御して、被処理体の温度を変化させながら加熱炉内に処理ガスを供給して、被処理体に熱処理を施すバッチ式熱処理方法において、
前記加熱炉内の被処理体上の中心部の温度と周縁部の温度とを測定し、
測定した中心部の温度と周縁部の温度との差が所定値に達してから加熱炉内に処理ガスを供給して、被処理体に熱処理を施し、
前記ヒータ部を制御して、加熱炉内の温度を一旦降下した後、上昇させ、測定した前記被処理体の周縁部の温度と中心部の温度との差が所定値より大きくなった後に、前記加熱炉内に処理ガスを供給する、
ことを特徴とする。
【００１４】
この発明の第２の観点に係るバッチ式熱処理方法は、
ヒータ部を備える加熱炉内に複数の被処理体を収容し、ヒータ部を制御して、被処理体の温度を変化させながら加熱炉内に処理ガスを供給して、被処理体に熱処理を施すバッチ式熱処理方法において、
前記加熱炉内の被処理体上の中心部の温度と周縁部の温度とを測定し、
測定した中心部の温度と周縁部の温度との差が所定値に達してから加熱炉内に処理ガスを供給して、被処理体に熱処理を施し、
前記ヒータ部を制御して、加熱炉内の温度を一旦上昇した後、降下させ、測定した前記被処理体の中心部の温度と周縁部の温度との差が所定値より大きくなった後に、前記加熱炉内に処理ガスを供給する、
ことを特徴とする。
【００１７】
この発明の第３の観点に係るバッチ式熱処理方法は、
ヒータ部を備える加熱炉内に複数の被処理体を収容し、ヒータ部を制御して、被処理体の温度を変化させながら加熱炉内に処理ガスを供給して、被処理体に熱処理を施すバッチ式熱処理方法において、
前記加熱炉内の被処理体上の中心部の温度と周縁部の温度とを測定し、
測定した中心部の温度と周縁部の温度との差が所定値に達してから加熱炉内に処理ガスを供給して、被処理体に熱処理を施し、
前記ヒータ部は、縦方向に分割して配置され、独立して制御可能な複数のヒータから構成されており、
前記加熱炉内の、前記ヒータにより定義される縦方向に分割された複数のゾーン別に目標温度軌道を予め記憶し、各ゾーンの目標温度軌道に従って、前記ヒータを個別に制御し、
前記加熱炉内の複数のゾーンの所定の第１のゾーンについては、時間の経過に伴って温度を上昇させる温度目標軌道が、前記第１のゾーンよりも下方に位置する第２のゾーンについては、時間の経過に伴って温度を下降させる温度目標軌道が、それぞれ予め記憶されており、
前記温度目標軌道に従って、前記第１のゾーンについては昇温しながら、第２のゾーンについては降温しながら、前記加熱炉内に処理ガスを供給する、
ことを特徴とする。
【００１８】
この発明の第４の観点に係るバッチ式熱処理方法は、
ヒータ部を備える加熱炉内に複数の被処理体を収容し、ヒータ部を制御して、被処理体の温度を変化させながら加熱炉内に処理ガスを供給して、被処理体に熱処理を施すバッチ式熱処理方法において、
前記加熱炉内の被処理体上の中心部の温度と周縁部の温度とを測定し、
測定した中心部の温度と周縁部の温度との差が所定値に達してから加熱炉内に処理ガスを供給して、被処理体に熱処理を施し、
前記ヒータ部は、縦方向に分割して配置され、独立して制御可能な複数のヒータから構成されており、
前記加熱炉内の、前記ヒータにより定義される縦方向に分割された複数のゾーン別に目標温度軌道を予め記憶し、各ゾーンの目標温度軌道に従って、前記ヒータを個別に制御し、
前記加熱炉内の複数のゾーンの所定の第１のゾーンについては、時間の経過に伴って温度を下降させる温度目標軌道が、前記第１のゾーンよりも下方に位置する第２のゾーンについては、時間の経過に伴って温度を上昇させる温度目標軌道が、それぞれ予め記憶されており、
前記温度目標軌道に従って、前記第１のゾーンについては降温しながら、第２のゾーンについては昇温しながら、前記加熱炉内に処理ガスを供給する、
ことを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のバッチ式熱処理装置及び熱処理方法の実施の形態を説明する。この熱処理装置は、図１に示すように、例えば、石英で作られた反応管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。
【００２３】
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。
【００２４】
反応管２の周囲には、例えば、抵抗体より成るヒータ部３が設けられている。ヒータ部３は、縦方向に分割されて、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、ヒータ部３により加熱炉が構成される。
ヒータ３１〜３５により、反応管２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。
【００２５】
また、マニホールド２１には、反応管２内にガスを供給するガス供給管４１が設けられている。ガス供給管４１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）等の流量調整部４４を介してHCl酸化処理用の酸素と塩酸との混合ガスが供給される。さらに、マニホールド２１には、排気管２７が接続されている。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等を含む圧力調整部２８が設けられている。
【００２６】
反応管２の内面には、垂直方向に一列に５つの熱電対（温度測定部）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つのゾーンにそれぞれ配置されている。
【００２７】
また、反応管２の外面には、垂直方向に一列に複数の熱電対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。
【００２８】
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（コントローラ）１００を備えている。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の電力コントローラ３６〜４０、圧力調整部２８、流量調整部４４に制御信号を出力する。
【００２９】
図２は、制御部１００の構成を示す。
図示するように、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。
【００３０】
モデル記憶部１１１は、熱電対Ｓin1〜Ｓin5及びＳout1〜Ｓout5の出力信号（測定温度）及びヒータ３１〜３５への供給電力からウエハボート２３に載置されている各ゾーンのウエハＷの中心部の温度Ｔcと周縁部の温度Ｔeとを推定（計算）し、さらに、ウエハ温度を目標値に設定するためにヒータ３１〜３５に供給すべき電流（電力）を求めるモデル（数学モデル；高次・多次元関数）を記憶している。
【００３１】
レシピ記憶部１１２には、この熱処理装置で実行される熱処理の種類に応じて、制御手順を定めるレシピが記憶されている。各レシピは温度レシピ（処理対象たるウエハＷが経るべき温度変化の目標値；温度目標軌道）を含んでいる。
【００３２】
本実施の形態での熱処理であるＨＣｌ酸化処理は、処理ガスとして酸素と塩酸とを反応管２に導入し、４ＨＣｌ＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ＋Ｃｌ２の反応により水蒸気（Ｈ２Ｏ）と塩素（Ｃｌ）を生成し、この水蒸気によって酸化膜を形成する処理である。酸化の際に、塩酸が分解されて発生した塩素が触媒のような働きをし、酸化膜形成を促進させる。ガス供給管４１中では塩酸が完全に(十分に）分解されず、反応管２の内部に入ってから分解が進む。
【００３３】
ウエハボート２３の上端領域では、ウエハＷの周縁部より中心部の方が処理ガスの滞留時間（到達時間；ガスが、ガス供給管４１を噴出してからそこに到達するまでの時間）が長い。従って、ウエハの中心部分の方が、塩酸が十分に分解されて塩素が生成される。同様に、水蒸気も、ウエハの中心部分の方が端部よりも多く生成される。従って、酸化膜としてＣＡＰ型の膜（中心部が周縁部よりも厚い膜）が形成され易い。一方、ウエハボート２３の下端領域では、処理ガスが下端領域に届くまでに、十分な時間が経過しているので、塩酸は十分に分解されおり、十分な量の塩素や水蒸気がウエハＷの周縁部には供給される。しかし、塩素と水蒸気が、ウエハＷの周縁部での酸化反応で消費されるため、ウエハＷの中央部では、周縁部と比較すると、塩素と水蒸気の量（密度）が少ない。このため、酸化膜としてＣＵＰ型の膜（中心部が周縁部よりも薄い膜）になり易い。
【００３４】
従って、全ウエハを同一の温度レシピで処理するとウエハＷ毎及び個々のウエハＷ上の膜厚のばらつきが発生する。そこで、この実施の形態においては、ウエハＷ間及びウエハＷ上で膜厚が均一になるように、図３（ａ）に例示する５つのゾーン別に、図３（ｂ）に示すように、温度レシピ（温度目標軌道）が用意されている。図３（ｂ）に示すように、ウエハボート２３の上端領域（第１、第２ゾーン）では、昇温しながら熱処理するような温度レシピが、ウエハボート２３の下端領域（第４、第５ゾーン）では、降温しながら熱処理するような温度レシピが、ウエハボート２３の中段領域（第３ゾーン）では、ほぼ一定の温度に維持しながら熱処理するような温度レシピが設定されている。
【００３５】
ウエハボート２３の上端領域で昇温しながら熱処理することにより、ウエハＷの周縁部が中心部よりも高温状態で酸化処理が進み、ＣＡＰ型の膜形成が是正（修正）されて、平坦な酸化膜が形成される。また、ウエハボート２３の下端領域で、降温しながら熱処理することにより、ウエハＷの周縁部が中心部よりも低温状態で酸化処理が進み、ＣＵＰ型の膜形成が是正（修正）されて、平坦な酸化膜が形成される。
【００３６】
ＲＯＭ１１３は、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリ、ハードディスク等から構成され、ＣＰＵ１１６の動作プログラム等を記憶する記録媒体である。
【００３７】
ＲＡＭ１１４は、ＣＰＵ１１６のワークエリア等として機能する。
Ｉ／Ｏポート１１５は、熱電対Ｓin1〜Ｓin5及びＳout1〜Ｓout5からの測定信号を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。
【００３８】
ＣＰＵ１１６は、ＤＳＰ等から構成されてもよく、ＲＯＭ１１３に記憶された制御プログラムに従って動作し、操作パネル１１８からの指示に応答し、レシピ記憶部１１２に記憶されているレシピに従って、熱処理装置の動作を制御する。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。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（電力コントローラ３６〜４０がヒータ３１〜３５に供給した電力を示す値）を取り込んで、ウエハＷの中心部の温度Ｔcと周縁温度Ｔeとを刻一刻と推定し、中心部の温度Ｔcと周縁部の温度Ｔeとの平均値Ｔavがレシピに含まれている温度レシピが指示する値（セットポイント）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。
【００３９】
さらに、ＣＰＵ１１６は、ウエハＷの中心部の温度Ｔcと周縁温度Ｔeとの温度差Ｔdを求め、この温度差Ｔdに基づいて、処理ガスを供給するタイミングを制御する。
また、ＣＰＵ１１６は、通常の熱処理装置の制御と同様に、流量調整部４４への指示、圧力調整部２８への指示等も行う。
【００４０】
次に、上記構成のバッチ式熱処理装置による熱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が必要枚数載置される。
ヒータ部３によって反応管２内を約４００゜Ｃに設定しておく。次に、被処理体であるウエハＷが所定枚数、例えば１００枚搭載されたウエハボート２３を、昇降台２６によって上昇させてウエハＷを反応管２内にロードし、マニホールド２１の下端のフランジと蓋体２４とを気密状態とする。
【００４１】
ＣＰＵ１１６は、ウエハボート２３のロードが完了すると、ＲＯＭ１１３から読み出したレシピに従って、圧力調整部２８を含む排気系を制御して、排気動作を開始する。
【００４２】
一方、ＣＰＵ１１６は、図３（ｂ）に示す温度レシピに従った動作を開始し、まず、ヒータ部３に供給する電力を増加させて昇温を開始する。
【００４３】
ＣＰＵ１１６は、熱電対Ｓin1〜Ｓin5及びＳout1〜Ｓout5の出力信号及びヒータ３１〜３５に供給するパワー（電力）の値を取り込み、ＲＯＭ１１３から読み出したモデルに従って、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つのゾーンに配置されているウエハＷの中心部の温度Ｔcと周縁部の温度Ｔeとを計算（推定）する。次に、各ゾーンのウエハＷについて、推定した中心部の温度Ｔcと周縁部の温度Ｔeから、平均温度Ｔav＝（Ｔc＋Ｔe）／２を求める。
【００４４】
ＣＰＵ１１６は、各ゾーンのウエハＷの温度の平均温度Ｔavが全体として温度目標軌道（図３（ｂ））が指示している温度の組み合わせに最も近づくように、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。
【００４５】
例えば、５つのゾーンのウエハの温度の平均値がＴav1、Ｔav2、Ｔav3、Ｔav4、Ｔav5であると計算され、温度目標軌道が指示する温度がＴt1、Ｔt2、Ｔt3、Ｔt4、Ｔt5である場合には、実際の温度と目標温度との差が全体として最も小さくなるように制御を行う。例えば、最小２乗法を用いて、（Ｔav1−Ｔt1）２＋（Ｔav2−Ｔt2）２＋（Ｔav3−Ｔt3）２＋（Ｔav4−Ｔt4）２＋（Ｔav5−Ｔt5）２が最小に成るように、ヒータ３１〜３５に供給する電力を個々に制御する。
【００４６】
ＣＰＵ１１６は、上述の温度制御を繰り返し、平均温度Ｔavが、温度目標軌道（図３（ｂ））が示す値に達すると、昇温処理を一旦終了し、一定温度を維持するための保温処理に移る。
【００４７】
その後、処理をステップＳ２に移し、熱電対Ｓin1〜Ｓin5及びＳout1〜Ｓout5の出力信号とヒータ３１〜３５に供給している電力値とを取り込んで、ヒータ３１〜３５を制御する動作を繰り返す。
【００４８】
昇温が終了すると、ＣＰＵ１１６は、各ゾーンの温度を一定に維持するように温度制御を続ける。
【００４９】
ＣＰＵ１１６は、反応管２内の温度が安定すると、温度レシピに従って、第１、第２ゾーンの温度を一旦下降させ、第４、第５ゾーンの温度を一旦上昇させる。
【００５０】
続いて、第１、第２ゾーンの温度を徐々に上昇させ、第４、第５ゾーンの温度を徐々に下降させる。この際、各ゾーンのウエハＷの中心部の温度Ｔcと周辺部の温度Ｔeを検出し、第１、第２ゾーンについては、ウエハの周縁部の温度Ｔeが中心部の温度Ｔcよりも高くなり、かつ、第４、第５ゾーンについては、ウエハの周縁部の温度Ｔeが中心部の温度Ｔcよりも低くなったか否かを判別し、条件が成立するまで待機する。条件が成立すると、流量調整部４４を制御して、処理ガス（ＨＣｌ＋Ｏ２）を反応管２内に供給し、酸化膜の形成を開始する。酸化処理の間も、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目標軌道が規定する温度に最も近づくように温度制御を行う。
【００５１】
このため、各ゾーンのウエハＷは、互いに異なる温度プロセスで酸化処理が成される。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（処理ガスの濃度の影響等を、熱に換算して調整された値）であるので、ウエハ間で比較的均一な厚さの酸化膜が成長する。しかも、ＣＡＰ型の酸化膜が形成され易い上端部では、周縁部が中心部より高温となるように昇温しながら熱処理を行い、ＣＵＰ型の膜が形成され易い下端部では、中心部が周縁部より高温となるように、降温しながら酸化膜形成処理を行う。従って、各ウエハＷには比較的均一な膜厚の酸化膜が形成される。
【００５２】
処理ガスの供給後、一定時間が経過して酸化処理が終了すると、ＣＰＵ１１６は、処理ガスの供給を停止し、反応管２内にパージガスを供給して、処理ガスをパージすると共に、冷却処理を開始し、ヒータ部３への電力の供給を停止（又は低減）する等して、降温動作を開始する。
【００５３】
ＣＰＵ１１６は、ウエハＷの温度が、目標値（アンロードできる温度）に達すると、降温処理を終了し、蓋体２４を降下させ、処理済のウエハボート２３をアンロードする。
【００５４】
以上の動作を第５ゾーンを例として具体的に説明すると、温度目標軌道とウエハＷの中心部の温度Ｔcと周縁部の温度Ｔe、さらに、温度ＴcとＴeとの差Ｔdとの時間の経過に対する変化は、図４に示すようになる。
【００５５】
熱処理工程が開始し、温度目標軌道の温度が降下し始めた直後の期間Ｐ１では、ウエハＷの周辺部の温度Ｔeが中心部の温度Ｔcよりも高い（０＞Ｔｄ）。この期間Ｐ１で、処理ガスを供給すると、ＣＵＰ型の膜形成を是正したいにもかかわらず、周辺部の膜厚が中央部よりもかえって厚くなるように酸化膜が形成されてしまう。
【００５６】
そこで、ＣＰＵ１１６は、ウエハＷの中心部の温度Ｔcが周辺部の温度Ｔeよりも高くなった後、即ち、温度差Ｔdが正の値になるまで待機し、温度差Ｔdが正の値になったタイミングＰ２の後に処理ガスを供給する。すると、ウエハＷの中心部の温度Ｔcが周縁部の温度Ｔeより高い状態でのみ酸化膜形成処理が行われる。一定時間（＝期間Ｐ３）だけ酸化処理を実行すると、処理ガスの供給を停止し、その後、ヒータ３１〜３５への供給電力を制御して、一旦一定温度に維持した後、反応管２内を冷却する。
【００５７】
以上説明したように、この実施の形態によれば、ウエハの温度を変化させながら熱処理を行う場合に、温度変化直後の不安定な時期に処理ガスを供給せず、中心部と周縁部との温度関係が安定してから、処理ガスを供給しているので、適切に熱処理を行うことができる。
【００５８】
（変形例）
図４に示す期間Ｐ４では、ウエハＷ上の温度分布が平衡し、ウエハＷの中心部の温度Ｔcと周縁部の温度Ｔeとの差Ｔdは、ほぼ一定値Ｔsを維持する。この期間Ｐ４、即ち、温度差Ｔdが一定値を維持している期間にのみ処理ガスを反応管２内に導入することにより、温度差Ｔdの変動の影響を受けることなく、熱処理を行うことが可能である。このよう処理を実行するためには、実験等により、半導体ウエハＷの中心の温度Ｔcと周縁部の温度Ｔeとの差Ｔdがほぼ一定になるタイミング又は温度差を予め求めておき、条件が成立した段階で、処理ガスを供給するようにすればよい。例えば、実験により、温度差Ｔdが５０℃でほぼ一定となることが判別した場合には、温度差Ｔd＞０且つ温度差Ｔd＝５０℃となった時点で、制御部１００が処理ガスを反応管２内に供給するようにすればよい。
【００５９】
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への供給電力等から、ウエハＷの温度を推測し、さらに、推定測した温度の組を目的とする温度とするために、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。
【００６０】
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、中心と中心から所定距離離れた周縁部とにそれぞれ熱電対を組み込んだ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枚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中心及び周縁部に配置した熱電対の出力（ウエハ温度）、ヒータに供給される電流等のデータを、例えば、１〜５秒のサンプリング周期で取得する。
【００６１】
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等が不正確になってしまうため）。
【００６２】
取得したデータから、各温度帯域について、数式１に示すＡＲＸ（自動回帰）モデルを設定する。
【数１】
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）。
ここで、各係数ＡＡ１〜ＡＡｎとＢＢ１〜ＢＢｎ を、最小二乗法等を用いて決定する。
【００６３】
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２で示すようになる。
【数２】
0004222461.tif 000002
【００６４】
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。
【００６５】
数式１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。
【００６６】
ウエハ温度モデルは数式３により計算される。
【数３】
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４で示すようになる。
【００６７】
【数４】
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。
【００６８】
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４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。
実際の膜形成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。
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。
【００６９】
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熱処理を実行する。処理後、形成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。
例えば、ゾーン１のウエハ上に形成される膜の厚さが下段のウエハ上にの膜厚よりも小さい場合、直接的な原因は不明でも、ゾーン１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。
【００７０】
このようにして、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。
【００７１】
その後、実際の熱処理時に、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。
【００７２】
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熱処理方法、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。
【００７３】
例えば、上記実施の形態においては、ウエハＷを昇温しながら熱処理を実行する場合には、ウエハＷの周縁部の温度Ｔeが中心部の温度Ｔcよりも大きくなった後に、処理ガスを供給し、ウエハＷを降温しながら熱処理を実行する場合には、ウエハＷの中心部の温度Ｔcが周縁部の温度Ｔeよりも大きくなった後に、処理ガスを供給している。しかし、これに限定されるものではなく、例えば、ウエハＷの中心部の温度Ｔcと周縁部の温度Ｔeとの差が予め定めた基準値よりも大きくなった後に、処理ガスを供給するようにしてもよい。
【００７４】
例えば、上記実施の形態においては、反応管２の内外に配置した複数の温度センサＳin1〜Ｓin5とＳout1〜Ｓout5の出力及びヒータ３１〜３５のパワーから、数学モデルにより、非接触で各ゾーンのウエハＷの中心部の温度Ｔcと周縁部の温度Ｔeを求めた。しかし、この方法によらず、放射温度計を使用して、直接ウエハの温度を測定し、測定値をＣＰＵ１１６に供給することにより、同様の制御を行うことも可能である。
【００７５】
また、ダミーウエハの中心部と周縁部に熱電対（温度センサ）を配置し、このウエハをウエハボート２３に配置し、熱電対の出力からウエハの温度を直接測定することも可能である。
【００７６】
ただし、放射温度計を使用する方法は、形成される膜が光不透過性の膜である場合等には、温度を測定できない。また、ウエハＷがウエハボート２３に積層して配置されている場合には、ウエハＷの温度を測定できない。
さらに、温度センサを配置したダミーウエハを使用する方法では、反応管２内の高温状態により、ダミーウエハに装着したセンサやワイヤから金属が蒸発し、反応管２内が金属で汚染されるおそれがある。この数学モデルを使用することにより、反応管内の金属汚染を抑えつつ各ゾーンのウエハの中心部及び周縁部の温度Ｔc、Ｔeを比較的正確に測定（推定）することができる。
【００７７】
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、ヒータの数と反応管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、ランプ等でもよい。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。
【００７８】
また、上側のゾーンについては昇温しながら、下側のゾーンについては降温しながら熱処理を行う例を示したが、熱処理の内容に応じて、上側のゾーンについては降温しながら、下側のゾーンについては、昇温しながら熱処理を行ってよい。また、ゾーン分けを行わず、全体に１つの温度レシピを設定してもよい。
【００７９】
上記実施の形態においては、熱処理として塩酸と酸素ガスとを用いた酸化処理について説明したが、他のガスを用いた酸化処理にも同様に適用可能である。また、酸化処理以外の様々な成膜処理、例えば、ＣＶＤプロセスにも適用可能である。また、成膜処理に限定されず、不純物の拡散処理やエッチング処理等の熱処理にも同様に適用可能である。
【００８０】
例えば、ＣＶＤによる成膜プロセスで、ウエハＷの中心部よりも周縁部で厚く成膜される場合には、ウエハ温度を降下させながら成膜処理を行い、さらに、ウエハの周縁部の温度が中心部の温度よりも低くなった時点からプロセスガスを供給するようにすればよい。
【００８１】
同様に、不純物の拡散プロセスで、ウエハＷの中心部よりも周縁部の方が高濃度で拡散される場合には、ウエハ温度を降下させながら拡散処理を行い、さらに、ウエハの周縁部の温度が中心部の温度よりも低くなった時点から拡散ガスを供給するようにすればよい。
【００８２】
また、被処理体は、半導体ウエハに限定されず、例えば、液晶表示装置のガラス基板やプラズマディスプレイパネルの基板等でもよい。
【００８３】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、様々な熱処理を適切に行うことができる。
【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回路図である。
【図３】（ａ）は反応管内のゾーンを示し、（ｂ）はゾーン別の温度目標軌道の例を示す図である。
【図４】ウエハの温度変化を説明するための図である。
【符号の説明】
２                反応管
３                ヒータ部
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              中上段ヒータ
３３              中段ヒータ
３４              中下段ヒータ
３５              下段ヒータ
３６〜４０        電力コントローラ
【図１】
0004222461.tif 000003
【図２】
0004222461.tif 000004
【図３】
0004222461.tif 000005
【図４】
0004222461.tif 000006