(57)【要約】【課題】強制冷却を実施しても、ヒータへ過剰の電力量を供給することなく、温度の安定化を図ることができる半導体製造装置の温度制御方法を提供する。【解決手段】レシピに従って処理シーケンスの実行が開始されると（Ｓ１１）、装置操作部から温度コントローラにレシピの設定温度等の情報に加えて強制冷却実施の有無の情報が送信され（Ｓ１２）、温度コントローラは冷却機構による強制冷却が実施されるか否かを判定する（Ｓ１３）。強制冷却が実施されない場合には、主ヒータと補助ヒータに対してレシピの設定に従った温度制御を行い（Ｓ１４）、強制冷却が実施される場合には、主ヒータと補助ヒータとにそれぞれ分けて処理を行い（Ｓ１５）、主ヒータに対しては、内部熱電対の検出温度のみに基づいたフィードバック制御に切り換えられ（Ｓ１６）、補助ヒータに対しては、予め設定された固定パワーを出力するような制御に切り換えられる（Ｓ１７）。【選択図】図５
2009200131.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理基板を収容する反応室と、前記反応室を側方から加熱する主ヒータと、前記反応室を上方から加熱する補助ヒータと、前記主ヒータの温度を検出する第１の温度センサと、前記反応室内の温度を検出する第２の温度センサと、前記補助ヒータの温度を検出する第３の温度センサと、第１〜第３の温度センサによる検出温度に基づいて前記主ヒータ及び前記補助ヒータを制御して前記反応室内の温度制御を行う温度コントローラと、前記主ヒータ及び前記補助ヒータを強制冷却する冷却機構とを備えた半導体製造装置において、
前記冷却機構の動作の有無に応じて前記温度コントローラによる前記主ヒータの制御モード及び前記補助ヒータの制御モードを切り換えることを特徴とする半導体製造装置。
【請求項２】
前記冷却機構の非動作時には第１の温度センサ及び第２の温度センサによる検出温度に基づいて前記主ヒータを制御すると共に第３の温度センサによる検出温度に基づいて前記補助ヒータを制御し、
前記冷却機構の動作時には第２の温度センサによる検出温度のみに基づいて前記主ヒータを制御すると共に予め設定された固定パワーを出力するように前記補助ヒータを制御する請求項１に記載の半導体製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体製造装置、特に拡散装置やＣＶＤ装置等、温度制御を行いながら半導体基板等の基板を処理する熱処理装置を備えた半導体製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
拡散装置やＣＶＤ装置等のような半導体製造装置によって半導体基板（以下、単に基板という）等に熱処理を施し、薄膜形成、不純物ドーピング、及び表面処理等の成膜処理を行う場合は、反応室の温度を予め設定した目標温度に追従させて、適切な温度に維持している。例えば、特許文献１には、図６に示されるような縦型ＣＶＤ炉が開示されている。
この縦型ＣＶＤ炉は、炉本体６０１と、炉内に配設された反応室６０２と、反応室６０２を側方から加熱するヒータ６０３と、ヒータ６０３の温度を検出するヒータ用熱電対６０４と、反応室６０２内の温度を検出する内部熱電対６０５と、熱処理するための基板６０６を搭載したボート６０７を備えている。
ヒータ６０３は、炉内温度をより高精度に制御するために複数のゾーンに分割されており、例えば、上部から順にＵ、ＣＵ、ＣＬ、Ｌゾーン等と呼ばれる４つのゾーンに分割される。また、それぞれのゾーン毎にヒータ用熱電対６０４と内部熱電対６０５が設置されている。この縦型ＣＶＤ炉においては、基板６０６に比較的近い場所に設置されている内部熱電対６０５の検出温度を目標温度に一致させるような温度制御が行われる。
【０００３】
具体的には、炉内の温度を比較的低い温度Ｔ０で安定させた状態で、基板６０６を保持しているボート６０７を反応室６０２内へ挿入し、温度Ｔ０から基板６０６に成膜処理等のプロセス処理を施すための温度Ｔ１まで徐々に炉内の温度を上昇させ（ランプアップ）、炉内の温度を温度Ｔ１に維持してプロセス処理を施した後、温度Ｔ１から再び比較的低い温度Ｔ０まで徐々に炉内の温度を下降させる（ランプダウン）。そして、プロセス処理が施された基板６０６を搭載しているボート６０７を反応室６０２から引き出し、ボート６０７上の処理済の基板６０６が未処理の基板６０６と入れ替えられる。これら一連の処理が全ての基板６０６に対して実行される。
ここで、ランプダウンのステップは、ヒータ６０３へ供給する電力量を小さくして自然冷却を行うため、温度Ｔ１から温度Ｔ０まで冷却するのに長時間を要する場合がある。
また、ヒータ６０３が反応室６０２の側方にのみ配置されており、ヒータ６０３の上方には熱源がないので、反応室６０２内の上部において温度分布が均一とならず、熱処理の品質で問題を生じるおそれがある。
【０００４】
このため、反応室の側方に配置された主ヒータに追加して反応室の上方に補助ヒータを配置すると共に、主ヒータ及び補助ヒータを強制的に冷却する冷却機構を備えた縦型ＣＶＤ炉が開発されている。
補助ヒータの近傍には、補助ヒータの温度を検出する補助ヒータ用熱電対が配置され、補助ヒータ用熱電対の検出温度に基づいて補助ヒータが制御される。
また、冷却機構は、炉本体の下部に形成された外気導入口から主ヒータ及び補助ヒータが配置されている炉本体と反応室との間を通って排気口にまで至る外気通路と、排気口の手前に設置されたブロアから構成されており、ブロアを駆動することにより主ヒータ及び補助ヒータを強制的に空冷して、ランプダウンを短時間で行うことができる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１１９８０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、冷却手段による強制冷却を実施すると、主ヒータ及び補助ヒータは直接空冷の影響を受けて主ヒータ用熱電対と補助ヒータ用熱電対の検出温度は急激に低下することとなるが、反応室内は大きな熱容量を有しているため、温度が低下しにくく、主ヒータ用熱電対及び補助ヒータ用熱電対の検出温度と反応室内の温度との間に大きな差を生じてしまう。
また、強制冷却を停止した後は、反応室内の温度の影響を受けて主ヒータ用熱電対と補助ヒータ用熱電対の検出温度は急激に上昇する場合がある。
さらに、強制冷却の実施により急激に低下した主ヒータ用熱電対と補助ヒータ用熱電対の検出温度に基づいて主ヒータ及び補助ヒータへの供給電力量を増大させると、強制冷却の停止後にこれらの検出温度は一層急激に上昇することとなり、ボートを反応から引き出す処理までに温度が安定せず、熱処理の品質劣化や処理時間の増大を来すおそれがある。
この発明はこのような問題点を解消するためになされたもので、強制冷却を実施しても、ヒータへ過剰の電力量を供給することなく、温度の安定化を図ることができる半導体製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る半導体製造装置は、処理基板を収容する反応室と、反応室を側方から加熱する主ヒータと、反応室を上方から加熱する補助ヒータと、主ヒータの温度を検出する第１の温度センサと、反応室内の温度を検出する第２の温度センサと、補助ヒータの温度を検出する第３の温度センサと、第１〜第３の温度センサによる検出温度に基づいて主ヒータ及び補助ヒータを制御して反応室内の温度制御を行う温度コントローラと、主ヒータ及び補助ヒータを強制冷却する冷却機構とを備えた半導体製造装置において、冷却機構の動作の有無に応じて温度コントローラによる主ヒータの制御モード及び補助ヒータの制御モードを切り換える。
【０００８】
好ましくは、冷却機構の非動作時には第１の温度センサ及び第２の温度センサによる検出温度に基づいて主ヒータを制御すると共に第３の温度センサによる検出温度に基づいて補助ヒータを制御し、冷却機構の動作時には第２の温度センサによる検出温度のみに基づいて主ヒータを制御すると共に予め設定された固定パワーを出力するように補助ヒータを制御する。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、冷却機構の動作の有無に応じて温度コントローラによる主ヒータの制御モード及び補助ヒータの制御モードを切り換えるので、強制冷却を実施しても、ヒータへ過剰の電力量を供給することなく、温度の安定化を図ることができ、生産性を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。なお、以下の実施の形態では、半導体製造装置の一般的な基板の成膜処理プロセスについては周知の技術であるのでその説明は省略し、半導体製造装置の炉内温度を制御する温度制御方法について説明する。また、以下の実施の形態では、半導体製造装置として縦型ＣＶＤ炉を例に挙げて説明することにする。
【００１１】
図１に示されるように、縦型ＣＶＤ炉は、炉本体１０１の内部に配設された反応室１０２を有すると共に、反応室１０２を側方から加熱する主ヒータ１０３と反応室１０２を上方から加熱する補助ヒータ１０４とを有している。主ヒータ１０３の近傍には主ヒータ１０３の温度を検出する第１の温度センサとしての主ヒータ用熱電対１０５が配置され、反応室１０２内には反応室１０２内の温度を検出する第２の温度センサとしての内部熱電対１０６が配置され、補助ヒータ１０４の近傍には補助ヒータ１０４の温度を検出する第３の温度センサとしての補助ヒータ用熱電対１０７が配置されている。さらに、熱処理の対象となる複数の基板１０８を搭載すると共に反応室１０２内に挿入可能なボート１０９が具備されている。尚、基板１０８がボート１０９の下側の一部にしか搭載されていないが、これに限らず種々の形態で搭載されるのはいうまでもない。
【００１２】
炉本体１０１の下部に外気導入口１１０が形成されると共に外気導入口１１０を開閉するシャッタ１１１が配設され、外気導入口１１０から主ヒータ１０３及び補助ヒータ１０４が配置されている炉本体１０１と反応室１０２との間の空間を通って排気口１１２にまで至る外気通路１１３が画成されている。外気通路１１３には、排気口１１２の手前にシャッタ１１４、ラジエータ１１５、シャッタ１１６及びブロア１１７が順次配置されている。これら外気導入口１１０、シャッタ１１１、排気口１１２、外気通路１１３、シャッタ１１４、ラジエータ１１５、シャッタ１１６及びブロア１１７により、主ヒータ１０３及び補助ヒータ１０４を強制的に空冷するための冷却機構が形成されている。
【００１３】
図６に示したヒータ６０３と同様に、主ヒータ１０３は、炉内温度をより高精度に制御するために複数のゾーンに分割されており、それぞれのゾーン毎に主ヒータ用熱電対１０５と内部熱電対１０６が設置されている。主ヒータ１０３及び補助ヒータ１０４を制御するための温度コントローラ１１８に主ヒータ用熱電対１０５、内部熱電対１０６及び補助ヒータ用熱電対１０７がそれぞれ電気的に接続され、さらに、温度コントローラ１１８に装置操作部１１９が電気的に接続されている。
【００１４】
装置操作部１１９は、作業者が設定した目標温度やパラメータを温度コントローラ１１８に送信すると共に、温度コントローラ１１８から温度データやヒータパワー値を受信して表示したり記憶するものである。図２に示されるように、装置操作部１１９は、作業者が縦型ＣＶＤ炉の動作状態を確認したり各種の設定を行うための操作画面部２０１と、レシピ及び各種パラメータテーブルを保存するためのデータ保存部２０２と、温度コントローラ１１８に接続されて温度コントローラ１１８との間でデータの送受信を行う通信部２０３と、これら操作画面部２０１、データ保存部２０２及び通信部２０３に接続された制御部２０４を有している。
【００１５】
次に、図１の縦型ＣＶＤ炉で使用される処理シーケンスについて説明する。図３は縦型ＣＶＤ炉で行われるプロセス処理の一例のフローチャートを示し、図４はプロセス処理の各ステップにおける反応室１０２内の温度変化の概略を示したものである。なお、図４中の符合Ｓ１〜Ｓ６は、図３の各ステップＳ１〜Ｓ６に対応するものである。
【００１６】
ステップＳｌは、反応室１０２内の温度を比較的低い温度Ｔ０に安定させる処理である。ステップＳｌでは基板１０８はまだ反応室１０２へ挿入されていない。ステップＳ２は、ボート１０９に保持された基板１０８を反応室１０２へ挿入する処理（ボートロード）である。基板１０８の温度は、通常、温度Ｔ０より低いので、基板１０８を反応室１０２へ挿入した結果、反応室１０２内の温度は一時的にＴ０より低くなるが、温度コントローラ１１８により反応室１０２内の温度は若干の時間を経て再び温度Ｔ０に安定する。
【００１７】
ステップＳ３は、温度Ｔ０から基板１０８に成膜処理等のプロセス処理を施すための目標温度Ｔ１まで、徐々に反応室１０２内の温度を上昇させる処理（ランプアップ）である。ステップＳ４は、基板１０８にプロセス処理を施すために反応室１０２内の温度を目標温度Ｔ１で維持して安定させる処理である。ステップＳ５は、プロセス処理終了後に温度Ｔ１から再び比較的低い温度Ｔ０まで徐々に反応室１０２内の温度を下降させる処理（ランプダウン）である。ステップＳ６は、プロセス処理が施された基板１０８をボート１０９と共に反応室１０２から引き出す処理である。その後、ボート１０９上の処理済基板１０８は未処理の基板１０８と入れ替えられる。これら一連の処理（つまり、ステップＳ１からステップＳ６）が全ての基板１０８について施される。
【００１８】
ここで、反応室１０２内の温度を目標温度Ｔ０及びＴ１にそれぞれ維持するステップＳ１及びＳ４では、主ヒータ１０３及び補助ヒータ１０４に対して、それぞれフィードバック制御Ｕ１及びＶ１が行われる。すなわち、主ヒータ１０３への電力の供給に対して比較的応答速度の速い主ヒータ用熱電対１０５の検出温度と比較的応答速度の遅い内部熱電対１０６の検出温度とが温度コントローラ１１８にフィードバックされ、これらの検出温度に基づいて反応室１０２内の温度が迅速に且つ安定的に目標の温度となるように温度コントローラ１１８により主ヒータ１０３への供給電力量が制御される。
同様に、補助ヒータ用熱電対１０７の検出温度が温度コントローラ１１８にフィードバックされ、この検出温度に基づいて反応室１０２内の温度が目標温度となるように温度コントローラ１１８により補助ヒータ１０４への供給電力量が制御される。
【００１９】
一方、基板１０８を反応室１０２へ挿入するステップＳ２、反応室１０２内の温度を上昇させるステップＳ３及び基板１０８を反応室１０２から引き出すステップＳ６では、主ヒータ１０３及び補助ヒータ１０４に対して、それぞれオープンループ制御Ｕ２及びＶ２が行われる。すなわち、温度コントローラ１１８は、予め設定された条件に従って主ヒータ１０３及び補助ヒータ１０４の制御を行う。
【００２０】
上記のステップＳ１〜Ｓ６の処理シーケンスは、作業者が装置操作部１１９の操作画面部２０１から設定し且つデータ保存部２０２に保存したレシピに従って実行される。レシピは、目的のプロセス処理の内容や温度特性を実現するために、ガス流量、圧力、温度等を時系列的に設定したものである。
【００２１】
通常、ステップＳｌからステップＳ６の処理は繰り返し行われるため、１つ１つのステップを短時間で行うことが生産性向上につながる。特に、主ヒータ１０３及び補助ヒータ１０４の温度は、熱しやすく冷めにくい性質のため、ステップＳ５のランプダウンの処理に要する時間をいかに短縮するかが生産性向上のポイントとなる。そのため、ステップＳ５を除く他のステップＳ１〜Ｓ４及びＳ６では、ブロア１１７を停止して各シャッタ１１１、１１４及び１１６を閉じた状態で温度制御を行うが、ステップＳ５では、ブロア１１７を駆動すると共に各シャッタ１１１、１１４及び１１６を開いて外気導入口１１０から外気通路１１３に外気を導入する。外気通路１１３に導入された外気は、図１の矢印で示されるように流れて主ヒータ１０３及び補助ヒータ１０４を強制的に冷却し、ラジエータ１１５で冷却された後、排気口１１２から排出される。これにより、外気の導入を行わずに自然冷却する場合に比べて、ランプダウンのステップＳ５に要する時間を飛躍的に短縮することができる。
【００２２】
ただし、強制冷却を実施すると、冷却の影響を直接受ける主ヒータ１０３及び補助ヒータ１０４の検出温度と反応室１０２の内部に設置された内部熱電対１０６の検出温度との差が大きくなるため、ステップＳ１及びＳ４のように、主ヒータ用熱電対１０５及び補助ヒータ用熱電対１０７の検出温度と内部熱電対１０６の検出温度とに基づいたフィードバック制御が困難になる。
【００２３】
そこで、この実施の形態においては、強制冷却を実施するか否かによって主ヒータ１０３と補助ヒータ１０４の制御モードが切り換えられる。すなわち、図５に示されるように、ステップＳ１１で、レシピに従って処理シーケンスの実行が開始されると、ステップＳ１２で、装置操作部１１９の制御部２０４は、通信部２０３を介して温度コントローラ１１８にレシピの設定温度等の情報に加えて強制冷却実施の有無の情報を送信する。ステップＳ１３で、温度コントローラ１１８は、装置操作部１１９から受信した情報に基づき、冷却機構による強制冷却が実施されるか否かを判定する。そして、強制冷却が実施されない場合には、ステップＳ１４に進み、通常通り、主ヒータ１０３と補助ヒータ１０４に対してレシピの設定に従った温度制御を行う。
【００２４】
一方、ステップＳ１３で、強制冷却が実施されると判定された場合には、ステップＳ１５で、主ヒータ１０３と補助ヒータ１０４とにそれぞれ分けて処理を行い、主ヒータ１０３に対しては、ステップＳ１６で、内部熱電対１０６の検出温度のみに基づいたフィードバック制御Ｕ３に切り換えられる。すなわち、内部熱電対１０６の検出温度が温度コントローラ１１８にフィードバックされ、この検出温度に基づいて反応室１０２内の温度が目標温度となるように温度コントローラ１１８により主ヒータ１０３への供給電力量が制御される。
【００２５】
また、補助ヒータ１０４に対しては、ステップＳ１７で、予め設定された固定パワーを出力するような制御Ｖ３に切り換えられる。ここで出力する固定パワーは、ランプダウンの後に基板１０８を反応室１０２から引き出すステップＳ６における設定温度に反応室１０２内を安定させるためのものである。強制冷却の実施時は、常に補助ヒータ１０４からこの固定パワーを出力することで、急激に低下する補助ヒータ用熱電対１０７の検出温度に影響されることなく、また、過剰な電力量を供給することなく、反応室１０２内の温度を安定させることが可能となる。
【００２６】
このように、冷却機構の動作時に、主ヒータ１０３を内部熱電対１０６の検出温度のみに基づいたフィードバック制御に切り換えると共に、補助ヒータ１０４を予め設定された固定パワーを出力する制御に切り換えることにより、強制冷却を実施しても過剰の電力量を供給することなく温度の安定化を図ることができる。その結果、熱処理の品質劣化や処理時間の増大を来すことなく生産性を向上させることが可能となる。
【００２７】
この発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。上記の実施の形態では、縦型ＣＶＤ炉における温度制御方法について説明したが、これに限るものではなく、拡散装置等のあらゆる半導体製造装置において、処理基板に熱処理を施す工程での温度制御方法に適用することができる。さらに、半導体製造装置だけでなく、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）装置に用いられるガラス基板を処理する装置の温度制御方法にも、この発明を適用することができる。
【００２８】
また、半導体製造装置に関する発明として説明したが、冷却機構の動作の有無に応じて温度コントローラによる主ヒータの制御モード及び補助ヒータの制御モードを切り換えるようにした半導体製造装置の温度制御システムを構築することもできる。
さらに、冷却機構の動作の有無に応じて温度コントローラによる主ヒータの制御モード及び補助ヒータの制御モードを切り換えつつ半導体装置を製造する半導体装置の製造方法とすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】この発明の実施の形態に係る温度制御方法が適用される縦型ＣＶＤ炉の構成を示す断面図である。
【図２】装置操作部の構成を示すブロック図である。
【図３】縦型ＣＶＤ炉で行われるプロセス処理の一例を示すフローチャートである。
【図４】プロセス処理の各ステップにおける反応室内の温度変化の概略を示すグラフである。
【図５】実施の形態における温度制御方法の流れを示すフローチャートである。
【図６】従来の温度制御が行われる縦型ＣＶＤ炉の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１０１  炉本体、１０２  反応室、１０３  主ヒータ、１０４  補助ヒータ、１０５  主ヒータ用熱電対、１０６  内部熱電対、１０７  補助ヒータ用熱電対、１０８  基板、１０９  ボート、１１０  外気導入口、１１１，１１４，１１６  シャッタ、１１２  排気口、１１３  外気通路、１１５  ラジエータ、１１７  ブロア、１１８  温度コントローラ、１１９  装置操作部、２０１  操作画面部、２０２  データ保存部、２０３  通信部、２０４  制御部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
2009200131.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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