(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板状の加熱面が複数の異なる隣接した加熱ゾーンに分割され、各加熱ゾーン毎に独立に制御される加熱体を有したゾーン分割ヒータと、各加熱体を制御する複数の制御系とを有し、加熱面上面に載置された被温度制御対象物のベーキング工程における温度制御を行うゾーン分割ヒータの温度制御装置において、
前記複数の制御系のそれぞれは、対応する加熱体に対し、最大電力供給量に対する予め定められた割合の固定電力を供給する固定電力供給手段と、
前記加熱ゾーンの温度をフィードバックして目標温度に対する定常偏差を所定範囲内に制御する制御手段と、
前記制御手段による制御量に対応した電力を前記加熱体に供給する可変電力供給手段と、
前記加熱ゾーンの加熱開始時は、各加熱ゾーンの温度勾配の立ち上がり時の動特性が同一になるように固定電力供給量を予め設定して、前記固定電力供給手段による電力供給を行い、該加熱ゾーンの温度が所定温度になった場合に前記固定電力供給手段による電力供給から前記可変電力供給手段による電力供給に切り替える切替制御手段と
を具備したことを特徴とするゾーン分割ヒータの温度制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱伝達面が複数のゾーンに分割されたゾーン分割ヒータによってウェハ等の被温度制御対象物を加熱するゾーン分割ヒータの温度制御装置に関し、特に、過渡状態及び定常状態における被温度制御対象物の温度分布を均一にすべく、ゾーン分割ヒータの各ゾーン間の温度分布を少なくしつつ、省電力かつ短時間に該被温度制御対象物を所定温度に制御するゾーン分割ヒータの温度制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、半導体製造工程には、ウェハに塗布したレジスト膜に残存する溶剤を取り除くための加熱工程（プリベーキング）や、エッチング前にレジストと基板との密着を容易にするための加熱工程（ポストベーキング）や、加熱したウェハを室温レベルに冷却するクーリング工程などが含まれており、これらの工程の際にウェハをより効率よくかつ高精度に温度制御することがスループットを上げる上で重要である。すなわち、プリベーク工程の次工程は露光であり、またポストベーク工程の次工程はエッチングであるので、これらの工程にすぐに移行できるようにするためには、ウェハの温度分布にかなり厳しい条件が要求される。
【０００３】
上記ベーキング工程で用いられるウェハの温度制御の１つの従来技術としてヒータによる直接加熱方式があり、この方式では、加熱面全面にパターン形成された抵抗線を樹脂などによって封入した電気加熱式などのプレート状のヒータ（薄膜ヒータ）の上にウェハを載置し、ヒータによってウェハを直接的または間接的に加熱するようにしている。
【０００４】
このようなプレート状のヒータとしては、一括通電される加熱体（抵抗線）がプレート全面に配置されこれを１つの温度制御系で制御する通常のヒータプレートと、加熱面が複数の異なる隣接した加熱ゾーンに分割され、各加熱ゾーン毎に独立に通電される加熱体を有するゾーン分割ヒータとがあるが、ゾーン分割ヒータのほうが各ゾーン毎に独立に温度制御を行えることから加熱面の温度分布をなくす上で有利である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような高精度の温度制御が可能なゾーン分割ヒータを用いるとはいっても、前述したように、ベーキング工程の際にはかなり厳しい温度条件が要求されるので、これを安価で汎用的に富むＰＩＤ制御だけで実現させるのは、非常に困難である。例えば、上記ベーキング工程などの際には、各加熱ゾーン間の温度差は、過渡状態で±１゜Ｃ以内、定常状態で±０．２゜Ｃ以内が要求され、しかも３０秒程度の短時間でプレート温度を整定することも要求される。
【０００６】
すなわち、ＰＩＤ制御によって上記ゾーン分割ヒータを制御する場合、各加熱ゾーン毎にＰＩＤ調整器を設け、これら複数のＰＩＤ調整器の各ゲインをそれぞれ試行錯誤によって調整しなくてはならない。例えば、加熱ゾーンが３ゾーン存在する場合は、計９個のゲイン調整が必要になる。
【０００７】
一方、ＰＩＤ調整器によって各加熱ゾーンのゲイン調整が精度よく行われたとしても、プレート温度を３０秒程度という短時間で整定するためには、図１２に示すように、目標入力波形１００は、立ち上げの初期１００ａと目標温度に整定される立ち上げの後期１００ｃにおける勾配を小さくし、立ち上げの中期１００ｂにおける勾配を大きくした連続波形とし、これに追従させる制御を行うなどの方法が必要である。
【０００８】
しかし、このような目標入力波形１００に追従させる制御では、立ち上げ中期１００ｂにおける波形の勾配が大きいことから、この立ち上げ中期１００ｂにおける供給電力量は、突出したピーク点Ｐを必要とし（図１３参照）、このことは、ピーク点Ｐにおける供給電力量を供給できる容量をもった電力供給源を必要とし、ゾーン分割ヒータの温度制御装置の小型、軽量化を妨げるという問題点があった。
【０００９】
そこで、本発明は、かかる問題点を除去し、ゾーン分割ヒータの各加熱ゾーンの温度が定常状態及び過渡状態における温度差が所定範囲内に収まりつつ、短時間かつ最大供給電力を抑えて目標温度に制御することができるゾーン分割ヒータの温度制御装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段および効果】
本発明は、平板状の加熱面が複数の異なる隣接した加熱ゾーンに分割され、各加熱ゾーン毎に独立に制御される加熱体を有したゾーン分割ヒータと、各加熱体を制御する複数の制御系とを有し、加熱面上面に載置された被温度制御対象物の温度制御を行うゾーン分割ヒータの温度制御装置において、前記複数の制御系のそれぞれは、対応する加熱体に対し、最大電力供給量に対する予め定められた割合の固定電力を供給する固定電力供給手段と、前記加熱ゾーンの温度をフィードバックして目標温度に対する定常偏差を所定範囲内に制御する制御手段と、前記制御手段による制御量に対応した電力を前記加熱体に供給する可変電力供給手段と、前記加熱ゾーンの加熱開始時は、前記固定電力供給手段による電力供給を行い、該加熱ゾーンの温度が所定温度になった場合に前記固定電力供給手段による電力供給から前記可変電力供給手段による電力供給に切り替える切替制御手段とを具備したことを特徴とする。
【００１１】
すなわち、切替制御手段は、固定電力供給手段を接続して対応する加熱ゾーンの加熱体に固定電力を供給する。この際、この固定電力供給による、時間に対する温度勾配は目標温度が無限大のステップ入力となるため、ほぼ直線となるが、傾きが異なるため、この傾きを一致させる必要があり、この傾きの一致は、最大電力供給量に対して予め定められた割合を各固定電力供給手段に設定することにより達成できる。このようにして、複数の加熱ゾーンに対する温度勾配が一致することにより、過渡状態時の温度差は所定範囲内に収めることができる。その間、切替制御手段は加熱ゾーンの温度を検出し、所定温度になった場合、固定電力供給手段による電力供給から可変電力供給手段による電力供給に切り替える。この切替により、制御手段は、加熱ゾーンの温度をフィードバックして可変電力供給手段による加熱体への電力供給量を制御し、加熱ゾーンの温度が定常状態の温度差以内に収まるように制御する。例えば、ＰＩ制御を採用した制御手段によって定常偏差が所定範囲内になるように制御する。
【００１２】
しかもこの場合、所定温度は、ウェハ等の被温度制御対象物の温度に近い値とすることにより、この所定温度までの期間は固定電力供給手段によって電力が供給されるため、電力のピークが生ずることがなく、効率的な電力供給ができるとともに、逆に大きな固定電力を採用すると、非常に短時間に目標温度に整定することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００１４】
図２は、ウェハ１０が載置されるゾーン分割ヒータ２０の概略構成を示す図である。ゾーン分割ヒータ２０は、円形平板状をなし、その加熱面が同心円で区画された２つの加熱ゾーンＡ，Ｂに分割されている。ゾーン分割ヒータ２０の加熱面上には、複数のギャップ調整ピン２１が形成されており、これらのピン２１によってヒータ２０とウェハ１０との間には極く僅か（０．１ｍｍ程度）の隙間を形成するようにしている。従って、ヒータ２０からの熱はこの隙間を介してウェハ１０に伝達することになる。
【００１５】
ゾーン分割ヒータ２０は、各ゾーンＡ，Ｂ毎に各別に通電制御される抵抗線パターンを有し、これらの抵抗線パターンを樹脂等によって封入形成するようにしている。
【００１６】
図１は、図２のゾーン分割ヒータを温度制御する制御系の概略構成を示すブロック図である。図１において、加熱ゾーンＡ，Ｂ毎に各別の制御系３０Ａ，３０Ｂを有している。
【００１７】
制御系３０Ａは、固定電力の供給を設定する固定電力供給部３３Ａ及び可変電力を供給を設定する可変電力供給部３５Ａをもつ電力供給部３７Ａを有し、加熱ゾーンＡのゾーン加熱ヒータ３４Ａに対するこれらの電力供給は、切替部３２Ａによって切り替え接続される。但し、電力供給部３７Ａの構成は１つであり、固定電力供給部３３Ａは固定電力出力の設定を行い、可変電力供給部３５ＡはＰＩ調整既３６Ａの制御のもとに可変電力出力の設定が行われ、その意味で固定電力供給部３３Ａ及び可変電力供給部３５Ａを破線で示している。切替部３２Ａは、加熱開始時に初期切替部３１によって固定電力供給部３３Ａ側に接続され、固定電力供給部３３Ａはゾーン加熱ヒータ３４Ａに固定電力を供給する。切替部３２Ａはゾーン加熱ヒータ３４Ａによって加熱される加熱ゾーンＡの温度を検出しており、この検出温度が所定温度、すなわち目標温度に近い温度になった場合、切替部３２Ａは固定電力供給部３３Ａから可変電力供給部３５Ａ側に切替接続し、可変電力供給部３５Ａから供給される電力をゾーン加熱ヒータ３４Ａに供給する。この際、ＰＩ調整器３６Ａは、加熱ゾーンＡの温度をフィードバックして、常時入力される目標温度Ｕに制御する。このＰＩ調整器３６Ａは、ＰＩ制御によって可変電力供給部３５Ａが供給する電力量を制御し、加熱ゾーンＡの温度を所定の定常偏差以内に整定する制御を行う。
【００１８】
制御系３０Ｂは、加熱ゾーンＢの温度制御を行い、制御系３０Ａと同様に、切替制部３２Ｂ及び固定電力供給部３３Ｂを有した電力供給部３７Ｂ、加熱ゾーンＢの温度をフィードバックしてＰＩ制御器３６Ｂによって制御された可変電力供給部３５Ｂの電力をゾーン加熱ヒータ３４Ｂに供給するフィードバック系を有する。
【００１９】
加熱ゾーンＡ，Ｂの形状等によってゾーン加熱ヒータ３４Ａ，３４Ｂに供給される固定電力供給部３３Ａ，３３Ｂの最大電力供給量は異ならせ、できる限り、時間に対する温度勾配を一定にできるようにしているが、図３に示すように、一致しないのが通常である。従って、温度勾配の立ち上がり時の動特性が同一になるよう、例えば、図３における加熱ゾーンＡに供給される固定電力供給量を９０％に設定することにより、加熱ゾーンＡの温度勾配は小さくなり、加熱ゾーンＢの温度勾配に一致する。この場合、加熱ゾーンＢに供給される固定電力供給量は１００％としている。
【００２０】
ここで、本発明の実施の形態による具体的な温度制御についてＰＩＤ制御のみを用いた場合と比較して説明する。
【００２１】
図４は、本発明の実施の形態によって温度制御された加熱ゾーンＡ，Ｂとウェハ１０の温度の時間変化についてシミュレーションした結果を示す図であり、図５は、ＰＩＤ制御のみによって温度制御された加熱ゾーンＡ，Ｂとウェハ１０の温度の時間変化についてシミュレーションした結果を示す図である。なお、図５に対する目標入力波形は、図１２に示すものと同様である。これらの温度制御はウェハ１０を２０℃から１５０℃に加熱することである。
【００２２】
図６は、図４に示す温度制御を行った場合の供給電力の時間変化を示し、図７は、図５に示す温度制御を行った場合の供給電力の時間変化を示している。図６及び図７の温度制御はともに、使用できる最大供給電力を６ｋＷとしている。
【００２３】
ここで、図８は、図４における目標温度整定付近の拡大図であり、図９は、図５における目標温度整定付近の拡大図である。図９に示すようにＰＩＤ制御のみで温度制御を行った場合には、ウェハ１０が目標温度に整定されるまでに約５０秒かかるのに対し、図８に示すように本発明の実施の形態による温度制御を行った場合には、ウェハ１０が目標温度に整定されるまでに約３３秒で整定されており、同一電力量を消費するという条件もとで本発明の実施の形態とＰＩＤ制御のみの温度制御とを比較すると、本発明の実施の形態の方が、短時間で目標温度に整定できることがわかる。
【００２４】
逆に、このことから、同じ整定時間にウェハ１０を目標温度に整定する場合、本発明の実施の形態を用いると消費される最大電力が少なくて済むことになる。これは、例えば図６に示す加熱ゾーンＢに供給された電力を時間軸に押し潰した矩形とすることにより、最大固定電力供給量を小さくすることができるからである。
【００２５】
なお、本発明の実施の形態及びＰＩＤ制御のみの温度制御のいずれも、プレート目標温度（各加熱ゾーンＡ，Ｂの目標温度）は、ウェハ１０の目標温度より、４℃高い温度に設定している。これは、加熱ゾーンの熱が全てウェハ１０に伝達されないからであり、その温度差が約４℃という実験値に基づく。
【００２６】
また、上述した本発明の実施の形態では、実際に制御したいのは、プレート温度ではなく、プレートに載置されたウェハ１０の温度であるため、フィードバック制御を施すプレート温度は、ウェハの温度を高速に整定するために若干オーバーシュートさせるようにしている（図８参照）。これは、ウェハの温度がプレートの温度に対して一次遅れであるので、プレートの温度が若干オーバーシュートしても、ウェハの温度はオーバーシュートしないことを利用している。
【００２７】
ところで、図２に示したゾーン分割ヒータ２０は、図１０に示すように、プレート上にある領域にプレート内の抵抗線パターンを外部に引き出し接続するためのトラフィック部２３を有している。これらのトラフィック部２３では、抵抗線パターンが均一な加熱ができるようにパターン形成されていないために、該トラフィック部２３の上にウェハ１０が載置されると、このトラヒック部分によってウェハ１０に温度分布が形成されてしまう。
【００２８】
そこで、このような場合は、図１１に示すように、中心部に位置するゾーンＡの径をウェハ１０の径より大きくすることで、ウェハ１０がトラヒック部２３の上に載置されないようにしている。なお、図１１において、ゾーン分割プレート２０は、その周縁部をクランプ材２２で支持されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態である温度制御装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】ウェハ１０が載置されるゾーン分割ヒータ２０の概略構成を示す図である。
【図３】最大固定電力量の違いによる温度勾配の動特性を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態によって温度制御された加熱ゾーンＡ，Ｂとウェハ１０の温度の時間変化についてシミュレーションした結果を示す図である。
【図５】ＰＩＤ制御のみによって温度制御された加熱ゾーンＡ，Ｂとウェハ１０の温度の時間変化についてシミュレーションした結果を示す図である。
【図６】図４に示す温度制御を行った場合の供給電力の時間変化を示す図である。
【図７】図５に示す温度制御を行った場合の供給電力の時間変化を示す図である。
【図８】図４における目標温度整定付近の拡大図である。
【図９】図５における目標温度整定付近の拡大図である。
【図１０】加熱ゾーンＡ，Ｂとトラヒック部２３との配置関係を示す図である。
【図１１】トラヒック部２３を有するゾーン分割プレート２０とウェハ１０との位置関係を示す図である。
【図１２】ＰＩＤ制御によって温度制御を行う場合の目標入力波形の一例を示す図である。
【図１３】図１２に示す目標入力波形によって制御する場合の供給電力の時間変化を示す図である。
【符号の説明】
１０…ウェハ  ２０…ゾーン分割ヒータ  ３０Ａ，３０Ｂ…制御系
３１…初期切替部  ３２Ａ，３２Ｂ…切替部
３３Ａ，３３Ｂ…固定電力供給部  ３４Ａ，３４Ｂ…ゾーン加熱ヒータ
３５Ａ，３５Ｂ…可変電力供給部  ３６Ａ，３６Ｂ…ＰＩ調整器
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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