JP2000339039A

JP2000339039A - 加熱手段の温度制御方法、その装置及び熱処理装置

Info

Publication number: JP2000339039A
Application number: JP11145681A
Authority: JP
Inventors: Satoru Osawa; 哲大沢
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1999-05-25
Filing date: 1999-05-25
Publication date: 2000-12-08

Abstract

(57)【要約】【課題】加熱手段の温度を正確に制御することができ
る加熱手段の温度制御方法を提供する。【解決手段】温度変化によって抵抗率が変化する材料
よりなる加熱手段２４Ａ〜２４Ｅの温度制御方法におい
て、前記加熱手段の抵抗値を測定する工程と、前記抵抗
値から前記加熱手段の抵抗率を求める工程と、前記抵抗
率に基づいて前記加熱手段の温度を求める工程と、前記
得られた温度に基づいて前記加熱手段に加える電力を制
御する工程とを有するように構成する。これにより、加
熱手段の温度を正確に制御することが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、加熱ヒータ等の加
熱手段の温度制御方法、その装置及び熱処理装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に、家庭用或いは工業用加熱装置に
は、抵抗加熱によって対象物を加熱するための加熱手段
が設けられており、特に工業用加熱装置にあっては、対
象物の温度或いは加熱手段の温度を正確に測定し、維持
することは、対象物の諸特性を高く維持するために重要
な場合が多い。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】例えば、この種の工業
用加熱装置の一例として、半導体ウエハを一枚ずつ処理
容器（反応室）に搬送し、複数のランプによって加熱す
る事によってウエハの温度を急速に上げて目的の熱処理
（プロセス）を行う装置、また、ウエハの温度を上げた
状態でプロセスガスを導入してウエハ面上に所定の成膜
を行う装置などが枚葉式熱処理装置として知られてい
る。どちらもウエハは高温にかつ正確にかつ高速に昇温
する事が求められる。例えばプロセス時の目標温度は５
００℃〜１０００℃の高温であり、正確さは例えば±２
度以内であってウエハの面内での温度分布も±２度以内
に制御しなければならず、かつ例えば毎秒１００℃の昇
温速度にて昇温する事が必要とされている。特にウエハ
の温度分布の均一性は重要であり、成膜の場合では、温
度の違いが膜の厚さの違いとして現われる。この為に処
理対象である半導体ウエハを載置する載置台の内部に温
度計を埋め込んで温度を計測しランプに流す電流を制御
して、一定でかつ均一な温度分布を得ようとしている。

【０００４】しかしながら、実際に計測できる温度は多
くても５点であり、温度計の個体差という誤差を含んで
おり、かつ加熱手段である個々のランプと１：１の対応
が付けられたものではない。例えば１つのランプを照射
してウエハを加熱すると例えば５点の温度計全ての温度
が上がる。ランプは複数、例えば１００個程度配置され
るので特定の温度計の指示値が目標値から下がったとし
てもどこのランプの出力を上げるべきか厳密には決定で
きない。さらにランプはウエハの径に対応する位置に応
じてグループ化され電気的に部分的に直列に接続された
形で制御されるので特定のランプだけの出力を上げる事
は出来ない。さらに個々ランプの抵抗値は大きな誤差、
具体的には５％程度のバラツキを持っており、直列に接
続されたランプに同じ電流が流れていても出力される熱
量は抵抗値に応じたバラツキを持つので本質的には半導
体ウエハのプロセスに求められる均一性の要求を満たす
ものではない。この為にウエハあるいはランプを回転さ
せる装置すらある。

【０００５】更には、ウエハ面内での温度均一性を保証
しながら高速な昇温を実現しなければならない事が温度
制御をさらに困難している。複数のランプの間で温度均
一性を保証するバランスを保ちながら大きなの出力を発
生させる事は非常に難しい。又、ランプが短時間で寿命
に達する問題点がある。先に述べたように複数例えば１
００個程度のランプが半導体ウエハを見込む様に近接し
て配置され、それぞれが熱線を出力して半導体ウエハと
多重反射を繰り返す形になっており、ランプのフィラメ
ントはお互いに照射し合う事になっている。この為ある
ランプのフィラメントの温度が上がると、その部分の抵
抗値が高くなるが、電気的に直列に接続されたランプ同
士は同じ電流が流されているので、抵抗値の上昇分だけ
出力・熱量が増える（抵抗×電流で決定される電力量が
増加する）。この結果、更に温度が上がり、短時間で断
線を引き起こす事がある。

【０００６】上述した枚葉式の熱処理装置の他に、多数
の半導体ウエハに対して、一度に所定の熱処理を施す装
置としていわゆるバッチ式の熱処理装置が知られてい
る。このバッチ式の熱処理装置は、石英製のウエハボー
トに多段に半導体ウエハを載置させて支持し、これを複
数の加熱用のコイルによって囲われた縦型の処理容器内
へ導入することによって半導体ウエハに対して所定の熱
処理を施すようになっている。このバッチ式の熱処理装
置の場合は、前述した枚葉式の熱処理装置ほどの高速な
昇温は求められないが、プロセス温度が非常に高温であ
り、正確な温度制御が求められる。

【０００７】例えば目標とするプロセス温度は７００℃
〜１０００℃程度の高温であり、正確さは例えば±２度
以内であってウエハの面内での温度分布および複数のウ
エハ間での温度均一性がそれぞれ±３度以内の性能が要
求される。ウエハ面内の温度均一性は装置の構造によっ
て決まり積極的な制御は装置の構造上できないが、ウエ
ハの間での温度均一性は複数あるコイルの目標温度を制
御する事によってなされる。処理容器の端部に位置する
コイルは放熱が大きい分高い温度に設定され、逆に中央
部に位置するコイルは相対的に温度が低く設定される。
複数のウエハの間での均一性の要求を満たす温度分布を
実現する為に加熱対象であるウエハおよびウエハボート
に近い位置に温度計を挿入し温度計測と温度設定の修正
を繰り返して各ゾーン毎の設定値あるいはプロセス温度
との差分の温度を決定している。

【０００８】ところで、温度計は実際には断熱材の中に
埋め込まれており、計測される温度はコイルの温度でも
なく最終的なウエハの温度でもないその中間的な温度で
ある。この構造が温度の設定を困難なものにしており、
各コイル毎に埋め込まれた温度計で計測される温度は、
断熱材の厚さ、温度計の埋め込まれた深さ、断熱材を貫
流する熱量および温度計に接続されている配線から放熱
される熱量の影響を受ける。大きくモデル化すると発熱
体であるコイルの温度から貫流する熱量と温度計が置か
れている位置の断熱層の厚さに比例した温度分だけ低下
した温度を計測している結果になっている。従って、装
置毎に違った値を採用しなければならないし、温度計を
交換すると設定をやり直す必要があるのみならず、また
隣接するコイルの温度に大きく影響される。また、断熱
材を貫流する熱量の影響まで受ける不確定な温度計の出
力（温度）をデータにして半導体プロセスの要求を満た
すよう各コイルの設定を決定しなければならない事にな
る。

【０００９】以上の点について、より具体的に説明す
る。図１６は上述したような従来のバッチ式の熱処理装
置を示す概略構成図である。この熱処理装置２は、石英
製の内筒４と外筒６とよりなる処理容器８を有してお
り、この処理容器８内に、石英製のウエハボート１０に
多段に所定のピッチで配列された半導体ウエハＷが下方
向より挿脱可能に収容されている。処理容器８の下部に
は、ガスノズル１２を有するステンレス製のマニホール
ド１４が接続され、この下端開口部は気密に開閉可能に
キャップ１６により閉じられる。このキャップ１６上
に、保温筒１８を介して上記ウエハボート１０を回転可
能に載置しており、図示しないボートエレベータにより
このキャップ１６を昇降可能としている。また、外筒６
の下部側壁には、図示しない真空ポンプに接続される排
気口２０が設けられており、処理容器８内を真空引き可
能としている。

【００１０】そして、上述したような処理容器８の外側
に、これを囲むようにして加熱装置が設けられている。
具体的には、この処理容器８を囲むようにして円筒体状
の断熱材２２が設けられており、この内部には、上下方
向へ複数ゾーン、ここでは５つのゾーンに分割された加
熱用のコイル、すなわち加熱手段２４Ａ〜２４Ｅが設け
られており、ゾーン毎に別個独立して温度制御可能にな
されている。この加熱手段２４Ａ〜２４Ｅは、例えばニ
クロム線やカンタル線（商品名）等の加熱ヒータよりな
る。そして、各ゾーンに対応させてその部分の温度を検
出するために、断熱材２２には温度計としての熱電対２
６Ａ〜２６Ｅが埋め込まれており、各熱電対２６Ａ〜２
６Ｅの検出に基づいて対応する各加熱手段２４Ａ〜２４
Ｅへの供給電力を制御するようになっている。

【００１１】このような構造において、温度を測定する
ための上記熱電対２６Ａ〜２６Ｅは、ウエハＷ及び加熱
手段２４Ａからは離間させて取り付けられているので、
ウエハＷあるいは加熱手段２４Ａとも違うその中間的な
温度が計測され、その検出値に基づいて制御対象物まで
の一定の温度勾配を加味して制御を行なっている。検出
される中間的な温度は断熱材の熱伝導率及びその位置に
よって大きく影響を受け、さらにその時に流れる熱量も
発生する温度差に影響をあたえており、各ゾーン毎に加
味すべき修正量は微妙に異なっている。このため、ウエ
ハＷの実際の温度が正確に目標値にコントロールされて
いない場合もあった。特に、断熱材２２内に埋め込まれ
る熱電対２６Ａ〜２６Ｅは、その深さによっても検出値
が異なり、温度の再現性も劣る場合があった。この場
合、制御対象物に熱電対を接触させることも考えられる
が、この場合には、熱電対に取り付けられている保護管
や配線を経由して熱が逃げてしまい、この場合にも検出
された温度値が不確定なものとなってしまう。

【００１２】このような問題点は、上述したバッチ式の
熱処理装置のみならず、高周波を用いたプロセス装置
や、加熱源としてランプを用いた前述したような枚葉式
の熱処理装置においても生ずる。例えば、高周波によっ
て発生させたプラズマによりウエハを処理する場合に
は、熱電対や加熱ヒータを埋め込んだ載置台にウエハを
載置して処理を行なうが、この場合にも、ウエハと熱電
対とは僅かに離間させて配置されているので、検出され
る温度は実際のウエハ温度とも加熱ヒータ温度とも異な
るその中間の温度になる。この為制御対象物の温度も、
不確定となる。かつ一般的にプロセスは真空中で実行さ
れる為、１００°の温度差がウエハと載置台との間に発
生している場合もある。この例が従来の手段によって温
度計測を行う事の問題点を顕著に示しており、従来の方
法では、加熱対象であるウエハの温度でもなく加熱源で
あるヒータの温度でもない中間的な温度しか計測でき
ず、計測された中間的な温度は介在する断熱材あるいは
断熱層として機能するウエハと載置台の間のスキマの影
響を大きく受け、その結果、目的であるウエハの温度を
一定に保とうとすると微妙な調整が必要となったり、不
正確なものになったりする。

【００１３】加熱源としてランプを用いた前述したよう
な枚葉式の熱処理装置の場合には加熱源であるランプの
発熱体の温度は通常では計測できない為にウエハの載置
台の温度を計測するが、これもウエハと熱電対とが離間
している為同様の温度計測上の不確定さから免れる事が
できない。バッチ式の熱処理装置などは高温源である発
熱体の温度を一定にする事によってウエハの温度の均一
性が実現されているが、ランプの発熱体の温度が制御で
きない為に加熱源としてランプを用いた枚葉式の熱処理
装置の場合は大きく温度が異なる複数のランプによって
加熱される結果になる。また、熱電対はウエハになるべ
く近接させるが、近接させた結果ウエハを熱電対あるい
は熱電対の保護の金属によって汚染させる場合もある。
さらに、高周波を用いた場合には、高周波により熱電対
の電気系の配線にノイズが混入する場合もあり、このた
め検出値が変動するという問題もあった。

【００１４】また、ランプ加熱の熱処理装置の場合に
は、一般的にハロゲンランプが用いられ電極には通常タ
ングステンが用いられるが、タングステン素線の一部に
局部的に僅かな焼損が生じた場合、この部分の発熱量が
抵抗値に比例して大きくなりさらに温度及び抵抗値が上
昇しプロセス中に短時間で焼き切れる時があるが、この
焼損の程度を事前に知ることは困難である。このこと
は、加熱ランプに限らず、全てのヒータ線についても同
様な問題として存在する。本発明は、以上のような問題
点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたもので
ある。本発明の目的は、ヒータ（抵抗体）の抵抗値が温
度によって変化する事に着目し、逆に抵抗値からヒータ
（抵抗体）の温度を計測し、温度制御しようとするもの
であり、これにより、加熱手段の温度を正確に制御する
ことができる加熱手段の温度制御方法、その装置及び熱
処理装置を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】請求項１に規定する発明
は、温度変化によって抵抗率が変化する材料よりなる加
熱手段の温度制御方法において、前記加熱手段の抵抗値
を測定する工程と、前記抵抗値に基づいて前記加熱手段
の温度を求める工程と、前記得られた温度に基づいて前
記加熱手段に加える電力を制御する工程とを有するよう
にしたものである。これにより、温度検出時に加熱手段
から検出用の熱量を奪うことがなく、加熱手段自体の温
度を正確に求めることができる。

【００１６】請求項２に規定する発明は、上記方法発明
を実施するための装置であり、温度変化によって抵抗率
が変化する材料よりなる加熱手段の温度制御装置におい
て、前記加熱手段へ電力を供給する給電手段と、前記加
熱手段の抵抗値を測定する抵抗値測定手段と、前記抵抗
値から前記加熱手段の抵抗率を求める抵抗率算出手段
と、前記加熱手段の抵抗率と温度との関係を記憶する抵
抗率記憶手段と、前記求めた抵抗率と前記抵抗率記憶手
段の記憶内容とに基づいて前記加熱手段の温度を求める
と共に求めた温度に基づいて前記給電手段を制御するこ
とにより前記加熱手段に供給する電力を調整する制御手
段とを備えたものである。

【００１７】請求項３に規定する発明は、上記方法発明
を実施するための別の装置であり、温度変化によって抵
抗率が変化する材料よりなる加熱手段の温度制御装置に
おいて、前記加熱手段へ電力を供給する給電手段と、前
記加熱手段の抵抗値を測定する抵抗値測定手段と、前記
加熱手段の抵抗値と温度との関係を記憶する抵抗値記憶
手段と、前記求めた抵抗値と前記抵抗値記憶手段の記憶
内容とに基づいて前記加熱手段の温度を求めると共に求
めた温度に基づいて前記給電手段を制御することにより
前記加熱手段に供給する電力を調整する制御手段とを備
える。この場合、請求項４に規定するように、前記抵抗
値測定手段は、前記加熱手段に印加される電圧を検出す
る電圧検出部と、前記加熱手段に流れる電流を検出する
電流検出部と、前記検出された電圧値と電流値とに基づ
いて抵抗値を検出する抵抗検出部とを備えるようにする
ことができる。また、請求項５乃至１１に規定する発明
は、上記方法或いは装置発明を適用した熱処理装置であ
る。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下に、本発明に係る加熱手段の
温度制御方法、その装置及び熱処理装置の一実施例を添
付図面に基づいて詳述する。図１は本発明の加熱手段の
温度制御装置とこれを用いたバッチ式の熱処理装置を示
す構成図、図２は温度制御装置の抵抗値測定手段を主に
示す図、図３は温度と体積抵抗率（抵抗率）との関係を
示すグラフである。尚、図１６に示す部分と同一構成部
分については同一符号を付して説明する。

【００１９】この熱処理装置２は、石英製の内筒４と外
筒６とよりなる処理容器８を有しており、この処理容器
８内に、石英製のウエハボート１０に多段に所定のピッ
チで配列された半導体ウエハＷが下方向より挿脱可能に
収容されている。処理容器８の下部には、ガスノズル１
２を有するステンレス製のマニホールド１４が接続さ
れ、この下端開口部は気密に開閉可能にキャップ１６に
より閉じられる。このキャップ１６上に、保温筒１８を
介して上記ウエハボート１０を回転可能に載置してお
り、ボートエレベータによりこのキャップ１６を昇降可
能としている。また、外筒６の下部側壁には、図示しな
い真空ポンプに接続される排気口２０が設けられてお
り、処理容器８内を真空引き可能としている。尚、各部
材の接続部には、Ｏリング等のシール部材が介在されて
おり、気密性を維持している。

【００２０】そして、上述したような処理容器８の外側
に、これを囲むようにして加熱装置が設けられている。
具体的には、この処理容器８を囲むようにして円筒体状
の例えば石英ウールよりなる断熱材２２が設けられてお
り、この内部には、上下方向へ複数ゾーン、ここでは５
つのゾーンに分割された加熱手段２４Ａ〜２４Ｅが設け
られており、ゾーン毎に別個独立して温度制御可能にな
されている。この加熱手段２４Ａ〜２４Ｅは、例えばモ
リブデン線、タングステン線、ニクロム線或いはカンタ
ル線（商品名）等の加熱ヒータよりなる。尚、この実施
例では従来装置で用いられた熱電対は設けられていな
い。

【００２１】そして、この加熱手段２４Ａ〜２４Ｅに、
本発明の温度制御装置３０が設けられる。具体的には、
この温度制御装置３０は、上記加熱手段２４Ａ〜２４Ｅ
へ電力を供給する給電手段３２Ａ〜３２Ｅと、上記加熱
手段２４Ａ〜２４Ｅの抵抗値を測定する抵抗値測定手段
３４と、この抵抗値から抵抗率を求める抵抗率算出手段
３６と、加熱手段の抵抗率と温度との関係を記憶する抵
抗率記憶手段３８と、求めた抵抗率と上記抵抗率記憶手
段３８の記憶内容に基づいて上記給電手段３２Ａ〜３２
Ｅを制御する制御手段４０とにより主に構成されてい
る。

【００２２】具体的には、上記加熱手段２４Ａ〜２４Ｅ
の数量に対応させて、ここでは５つの給電手段３２Ａ〜
３２Ｅが設けられており、それぞれは給電線４２Ａ〜４
２Ｅにより接続されている。上記抵抗値測定手段３４
は、測定ユニット４４と抵抗検出部４６とよりなり、抵
抗値の測定手法としてここでは加熱手段に流れる電流と
印加される電圧を求めて抵抗値を算出する手法を用いて
いる。すなわち、図２に示すように上記測定ユニット４
４としては、５つの各給電線４２Ａ〜４２Ｅに介設され
た電流検出部４８Ａ〜４８Ｅと、各加熱手段２４Ａ〜２
４Ｅ（図１参照）へ印加される電圧を検出する電圧検出
部５０Ａ〜５０Ｅとを有しており、これらの各検出部で
得られた情報を上記抵抗検出部４６へ入力するようにな
っている。この抵抗検出部４６では検出された電流値と
電圧値とに基づいてそれぞれの抵抗値を求めるようにな
っている。

【００２３】また、抵抗率算出手段３６は、上記各加熱
手段２４Ａ〜２４Ｅの長さや断面積は予め規定されてい
ることから、上記求められた抵抗値より各加熱手段２４
Ａ〜２４Ｅの抵抗率、すなわちここでは体積抵抗率を求
めるようになっている。また、上記抵抗率記憶手段３８
は、例えばＲＯＭよりなり、これには上記加熱手段２４
Ａ〜２４Ｅに用いた材料の温度と抵抗率（体積抵抗率）
との関係が予め記憶されている。図３はこの温度と抵抗
率との関係を示しており、加熱手段の材料と同じ材料に
応じた値が、例えばテーブル化して記憶されている。図
３中において、直線Ａはモリブデン、直線Ｂはタングス
テン、直線Ｃはニクロムの特性をそれぞれ示している。
また、制御手段４０は、例えばマイクロプロセッサ等よ
りなり、上記抵抗率算出手段３６で得られた抵抗率と、
上記記憶手段３８の記憶内容とに基づいて対応する加熱
手段２４Ａ〜２４Ｅの温度を求め、この温度に基づいて
上記各給電手段３２Ａ〜３２Ｅを制御して給電力を調整
するようになっている。

【００２４】さて、このように構成された熱処理装置に
おいて、例えば成膜等の熱処理を行なう場合には、ま
ず、ウエハボート１０に載置した半導体ウエハＷを、そ
の下方より処理容器８内に導入して内部を密閉する。そ
して、ガスノズル１２から処理ガスを処理容器８内へ導
入しつつ容器内部を真空引きすると同時に、予備加熱し
ていた処理容器８を、各加熱手段２４Ａ〜２４Ｅへの供
給電力を増加することにより昇温し、ウエハＷを所定の
プロセス温度に維持し、成膜等の熱処理を行なうことに
なる。

【００２５】ここで上記各加熱手段２４Ａ〜２４Ｅへの
供給電力の調整は以下のように行なう。すなわち、各加
熱手段２４Ａ〜２４Ｅの給電線４２Ａ〜４２Ｅに設けた
測定ユニット４４の各電流検出部４８Ａ〜４８Ｅ及び電
圧検出部５０Ａ〜５０Ｅにてそれぞれ電流及び電圧が検
出され、この検出値が抵抗検出部４６へ入力される。抵
抗検出部４６では、入力された電流及び電圧の値に基づ
いて各加熱手段２４Ａ〜２４Ｅの抵抗値を算出する。更
に、各加熱手段２４Ａ〜２４Ｅの長さや断面積は予め求
められているので、これらの値と上記求めた各抵抗値と
に基づいて、上記抵抗率算出手段３６は加熱手段２４Ａ
〜２４Ｅの各抵抗率（体積抵抗率）を求める。求められ
た各抵抗率は制御手段４０へ送られ、制御手段４０は、
この入力された抵抗率と抵抗率記憶手段３８の図３に示
すような記憶内容とに基づいて各加熱手段２４Ａ〜２４
Ｅの現在の温度を求めることになる。例えば、得られた
抵抗率が２６×１０−８Ω・ｍとなり、加熱手段として
使用している材料がモリブデンならば直線Ａを参照し
て、温度は８００℃となる。

【００２６】そして、この制御手段４０は、この算出さ
れた各温度と予め設定されている各加熱手段２４Ａ〜２
４Ｅの設定プロセス温度とが一致するように各給電手段
３２Ａ〜３２Ｅを制御し、これにより各加熱手段２４Ａ
〜２４Ｅへの給電量が調整されることになる。この場
合、各加熱手段２４Ａ〜２４Ｅの実際の温度とウエハＷ
と温度降下分を見込んで各加熱手段２４Ａ〜２４Ｅの設
定プロセス温度は予め規定される。ここで見込むべき温
度差は断熱材の熱伝導率および厚さによってきまり従来
のように温度計の位置による影響は受けないし、断熱材
の熱伝導率および厚さをある範囲におさえる事も可能で
ある。あるいは温度センサーを取付けたウエハに実際の
プロセスを行い見込むべき温度差を決定する事もでき
る。このように、各加熱手段２４Ａ〜２４Ｅの抵抗率を
求めて、これよりそれぞれの温度を算出するようにした
ので、従来の熱電対を用いて温度を測定していた場合と
異なり、加熱手段２４Ａ〜２４Ｅの温度を、計測機器に
よる温度低下を生ぜしめることなく正確に計測すること
が可能となる。

【００２７】また、これにより従来必須の構成要素であ
った熱電対も不要とすることができ、熱電対に起因する
ウエハの汚染を引き起こす事はない。更に、制御手段４
０の断線予測部４０Ａにおいて、制御対象パラメータの
時間的変動をモニタすることにより、加熱手段の断線間
近の予測等を行なうことができる。例えば、１つの加熱
手段、例えば２４Ａに着目して説明すると、プロセス中
において加熱手段２４Ａのヒータ線の一部が局部的に焼
損等を生じてその部分の断面積が減少すると、ヒータ線
全体の抵抗が僅かに上昇することになる。この場合、所
定の設定プロセス温度を維持するように動作すると、例
えば抵抗上昇によって不足した電流を補償しようとして
印加電圧は、図４に示すようにΔＶだけ上昇することに
なる。この時、設定プロセス値に対する閾値電圧Ｖｔｈ
を予め設定しておけば、ヒータ線の部分的焼損等を検知
することができる。このように部分的な焼損等が生じて
いる加熱ヒータは、早々に断線する傾向にあるので、次
のプロセスを行なう前にこの加熱ヒータ（加熱手段２４
Ａ）を新しいものと取り換えておけば、プロセス中にヒ
ータが断線することを防止することができる。尚、この
断線予知の方法は、単に一例を示したに過ぎず、この方
法に限定されるものではない。

【００２８】また、加熱手段２４Ａ〜２４Ｅとして用い
る材料は、ニクロム線あるいはカンタル線（商品名）よ
りも温度変化に対する体積抵抗率の変化が大きな材料、
例えばタングステン、モリブデン（図３参照）が、制御
性が良好になるので好ましい。上記実施例では、加熱
手段の抵抗値から抵抗率を求め、この抵抗率を参照して
温度制御を行なうようにしたが、抵抗率を求めることな
く算出した抵抗値を参照して温度制御を行なうようにし
てもよい。図５はこのような温度制御を行なう装置の主
要部分を示すブロック構成図である。ここでは、図１に
おいて示した抵抗率算出手段３６は不要となり、抵抗検
出部４６にて求めた抵抗値を制御手段４０へ直接入力し
ている。また、図１において示した抵抗率記憶手段３８
に替えて、ここでは抵抗値記憶手段３９を設けている。
この抵抗値記憶手段３９には、図６に示すような抵抗値
とコイル加熱手段の温度との関係を示すグラフが予め測
定されて、換算テーブルとして記憶されている。ここで
図６中の実線は基準特性曲線となり、各コイル加熱手段
２４Ａ〜２４Ｅについても装置が稼働していない室温の
状態、或いは運転状態よりも低い温度であって、コイル
加熱手段の温度とこれを取り巻く環境温度が略同じとみ
なせるような状態の既知の温度でそれぞれ予め抵抗値を
測定してこれを各コイル加熱手段の基準抵抗値としてお
く。用いる各コイル加熱手段２４Ａ〜２４Ｅは、同一規
格の場合でも実際には同一温度で抵抗値が僅かに、例え
ば数％程度違っている場合もあるし、或いは異なる規格
のコイルを用いる場合もあるが、同じコイル材料を用い
ている限り、各温度−抵抗値の特性曲線は、図６中の基
準特性曲線を上下に平行移動した曲線（図中、一点鎖線
で示す）として表すことができる。ここでは各コイル加
熱手段は同一規格（抵抗値）のものを用いたものと仮定
し、図６中においては２５℃における各コイル加熱手段
２４Ａ〜２４Ｅの抵抗値を記してある。各抵抗値が上下
にずれているのは、コイル加熱手段２４Ａ〜２４Ｅの製
造誤差による。

【００２９】さて、実際の動作時においては、温度２５
℃における基準特性曲線の値と各コイル加熱手段２４Ａ
〜２４Ｅの抵抗値との差が、他の温度においてもそのま
ま推移することになる。例えば温度２５℃においてコイ
ル加熱手段２４Ａと基準特性曲線との抵抗差がΔＸであ
ると仮定した場合において、装置稼働時にコイル加熱手
段２４Ａがある測定抵抗値Ｙとなった時には、［Ｙ−Δ
Ｘ］なる値と基準特性曲線との交点の温度Ｔ１がその時
のコイル加熱手段２４Ａの実際の抵抗値となる。このよ
うにして、全てのコイル加熱手段２４Ａ〜２４Ｅに対し
て同様な制御を行なうことにより、各コイル加熱手段２
４Ａ〜２４Ｅを所望する抵抗値、すなわち温度に設定す
ることが可能となる。尚、装置の非稼働時における各コ
イル加熱手段２４Ａ〜２４Ｅの抵抗値の測定は定期的、
或いは不定期的に行なわれ、各基準抵抗値は補正される
ことになる。この場合、上述したように装置周囲の環境
温度と装置温度が同一であると見なせるような状態であ
るか、コイルの周辺温度が別途設けられた温度計によっ
て計測され既知であるならば、どのような温度下で上記
各コイル加熱手段の抵抗値を測定してもよい。上記実施
例では、縦型のバッチ式の熱処理装置を例にとって説明
したが、枚葉式の熱処理装置など全て適用することがで
き、例えば図７に示すようなマイクロ波を用いたＥＣＲ
（ＥｌｃｔｒｏｎＣｙｃｌｏｔｒｏｎＲｅｓｏｎａ
ｎｃｅ）枚葉熱処理装置や図９及び図１０に示すような
ランプ加熱式の枚葉熱処理装置にも適用することができ
る。

【００３０】図７に示すＥＣＲ枚葉熱処理装置６０で
は、真空引き可能になされた処理容器６２内に、ウエハ
Ｗを載置する載置台６４が設けられており、天井部に
は、石英板６６を介して容器６２内にプラズマ発生用の
マイクロ波を導入するアンテナ６８が設けられている。
また、処理容器６２の上部周辺部にはＥＣＲ用の磁石７
０が配置され、容器側壁にはガスノズル７２を設けてい
る。そして、上記載置台６４の上面には、クーロン力に
よりウエハＷを吸着する静電チャック７４が設けられる
と共に、載置台６４内には、ウエハＷを加熱するために
例えばモリブデン等よりなる加熱ヒータとしての加熱手
段２４Ｆが埋め込まれている。そして、この加熱手段２
４Ｆの給電線４２Ｆに給電手段３２Ｆを接続し、また、
先の実施例と同様に、電流検出部４８Ｆ、電圧検出部５
０Ｆを接続し、更に、抵抗検出部４６−１、抵抗率算出
手段３６−１、記憶手段３８−１、制御手段４０−１、
断線予測部４０Ａ−１を設けて、温度制御装置を構成し
ている。尚、図示例では、１つの加熱手段２４Ｆしか設
けていないが、例えば加熱ヒータが同心円状に複数ゾー
ンに区分されている場合には、図１に示したと同様に各
ゾーンの加熱ヒータに対応させて電圧、電流の検出部や
給電手段を設けるようにするのは勿論である。

【００３１】この実施例の場合にも、図１に示したと同
様に、加熱手段２４Ｆの温度を正確に測定することがで
きるのみならず、熱電対を用いていないことからマイク
ロ波によるノイズが測定系に加わることもなく、一層正
確な温度を求めることができる。また、この実施例の場
合にも、抵抗率を求めることなく算出した抵抗値を参照
して温度制御を行なうようにしてもよい。図８はこのよ
うな温度制御を行なう装置の主要部分を示すブロック構
成図である。ここでは、図７において示した抵抗率算出
手段３６−１は不要となり、抵抗検出部４６−１にて求
めた抵抗値を制御手段４０−１へ直接入力している。ま
た、図７において示した抵抗率記憶手段３８−１に替え
て、ここでは抵抗値記憶手段３９−１を設けている。こ
の抵抗値記憶手段３９−１には、図６において説明した
と同様に、ここでは加熱手段２４Ｆと同じ材料の抵抗値
−温度特性曲線を基準特性曲線として記憶してある。そ
して、この加熱手段２４Ｆの例えば室温２５℃における
抵抗値も予め測定しておいて、初期の基準抵抗値として
いる。以後の装置稼働時における温度制御は図６を参照
して説明したと全く同じである。

【００３２】また、図９はランプ加熱式の枚葉熱処理装
置を示し、図１０はこの熱処理装置の加熱ランプに設け
た温度制御装置を示している。このランプ加熱式の枚葉
熱処理装置７８の場合には、真空引き可能になされた処
理容器８０内に、ウエハＷを載置する薄い例えばＳｉＣ
の載置台８２が支柱８４により支持させて設けられてい
る。処理容器８０の天井部には、容器内に処理ガスを導
入するために例えば石英製のシャワーヘッド８６が設け
られる。また、処理容器８０の底部には、光透過性の例
えば石英よりなる透過窓８８が設けられ、この透過窓８
８の下方には回転可能になされた回転台９０に加熱ラン
プよりなる複数、例えば３つの加熱手段２４Ｇ、２４
Ｈ、２４Ｉが設けられている。そして、図１０に示すよ
うに各加熱手段２４Ｇ、２４Ｈ、２４Ｉの給電線４２
Ｇ、４２Ｈ、４２Ｉにそれぞれ給電手段３２Ｇ、３２
Ｈ、３２Ｉを接続し、また、先の実施例と同様に、電流
検出部４８Ｇ、４８Ｈ、４８Ｉ、電圧検出部５０Ｇ、５
０Ｈ、５０Ｉを接続し、更に、抵抗検出部４６−２、抵
抗率算出手段３６−２、記憶手段３８−２、制御手段４
０−２、断線予測部４０Ａ−２を設けて温度制御装置を
構成している。

【００３３】この実施例の場合にも、図１に示したと同
様に、各加熱手段２４Ｇ〜２４Ｉの温度を正確に測定す
ることができる。また、各加熱手段２４Ｇ〜２４Ｉを構
成する加熱ランプの例えばタングステン線は、前述した
加熱ヒータと比較して焼損による断線の頻度は高いの
で、図４を用いて説明したようにタングステン線の部分
的焼損を検出することができる点は、非常に有用であ
る。このように部分的焼損を検出したならば、次のプロ
セスに先立って加熱ランプ交換するようにすれば、プロ
セス途中で加熱ランプが切れることを未然に防止するこ
とができる。また、このように加熱源としてランプを用
いた枚葉式の熱処理装置の場合は、温度が均一な複数の
加熱源からの輻射によってウエハが加熱されることにな
り、ランプを回転させなくても高い温度均一性が得られ
る。

【００３４】また、上記実施例では、抵抗率を参照して
温度制御を行なうようにしたが、ここでも抵抗率を求め
ることなく算出した抵抗値を参照して温度制御を行なう
ようにしてもよい。図１１はこのような温度制御を行な
う装置の主要部を示すブロック構成図である。ここで
は、図１０において示した抵抗率算出手段３６−２は不
要となり、抵抗検出部４６−２にて求めた抵抗値を制御
手段４０−２へ直接入力している。また、図１０におい
て示した抵抗率記憶手段３８−２に替えて、ここでは抵
抗値記憶手段３９−３を設けている。この抵抗値記憶手
段３９−３には、図１２に示すような抵抗値と加熱ラン
プのフィラメントの抵抗値との関係を示すグラフが予め
測定されて演算テーブルとして記憶されている。図６に
て説明したと同様にここで図１２中の実線は基準特性曲
線となる。また、各加熱ランプ２４Ｇ〜２４Ｉのフィラ
メントについても装置が稼働していない室温の状態、或
いは運転状態よりも低い温度であって加熱ランプの温度
とこれを取り巻く環境温度が略同じと見なせるような状
態の既知の温度、例えば２５℃でそれぞれ予め抵抗値を
測定してこれを各加熱ランプの基準抵抗値としておく。
用いる加熱ランプ２４Ｇ〜２４Ｉが同一規格でも実際に
は同一温度で抵抗値が僅かに、例えば数％程度違ってい
るのが一般的である。

【００３５】加熱ランプに対して同じ組成よりなる高融
点金属よりなるフィラメント材料を用いている限り、各
温度−抵抗値の特性曲線は図１２中の基準特性曲線を例
えば上下に平行移動した曲線（図中、一点鎖線で示す）
として示すことができる。図１２中においては２５℃に
おける各加熱ランプ２５Ｇ〜２５Ｉのフィラメントの抵
抗値を示してある。各抵抗値が上下にずれているのは、
加熱ランプの製造誤差による。なお、温度−抵抗値の特
性曲線の精度を上げる為に個々のフィラメント毎に温度
−抵抗値の特性曲線を求める事も可能である。この場合
には、対象物の温度が２５００〜３０００Ｋになりフィ
ラメントから輻射される放射光の強度を計測しフィラメ
ント温度とみなす。

【００３６】さて、実際の動作時においては、温度２５
℃における基準特性曲線の値と各加熱ランプ２４Ｇ〜２
４Ｉの抵抗値との差が、他の温度においてもそのまま推
移することになる。例えば温度２５℃において加熱ラン
プ２４Ｇと基準特性曲線との抵抗差がΔＸ２であると仮
定した場合において、装置稼働時に加熱ランプ２４Ｇが
ある測定抵抗値Ｙ２となった時には、［Ｙ２−ΔＸ２］
なる値と基準特性曲線との交点の温度Ｔ２がその時の加
熱ランプ２４Ｇの実際の抵抗値となる。このようにし
て、全ての加熱ランプ２４Ｇ〜２４Ｉに対して同様な制
御を行なうことにより、各加熱ランプ２４Ｇ〜２４Ｉを
所望する抵抗値、すなわち温度に設定することが可能と
なる。尚、装置の非稼働時における各加熱ランプ２４Ｇ
〜２４Ｉの抵抗値の測定は定期的、或いは不定期的に行
なわれ、各基準抵抗値は補正されることになる。この場
合、上述したように装置周囲の環境温度と装置温度が同
一であると見なせるような状態であるならば、どのよう
な温度下で上記各加熱ランプ２４Ｇ〜２４Ｉの抵抗値を
測定してもよい。

【００３７】ここでは、説明の理解を容易にするため
に、３つの加熱ランプ２４Ｇ〜２４Ｉを設けた場合を例
にとって説明したが、実際には多数の個々の加熱ランプ
が上述のように個別制御される。また、加熱ランプの熱
処理装置としては、上述したものに限定されず、例えば
図１３及び図１４に示すような加熱ランプの熱処理装置
についても適用することができる。

【００３８】図１３に示す熱処理装置においては、透明
石英製の処理容器１００の外側全周を覆うように、例え
ば１００個程度の上側の加熱ランプ群１０２を設け、更
にその外側に上側ミラー１０４を設けている。また、こ
の処理容器１００の天井部にガス導入口１０６に設けて
処理ガスを導入するようになっている。また、この処理
容器１００の下部には円筒体状のマニホールド部１０８
を設け、この下端開口部は底板１１０により密閉してい
る。そして、この底板１１０を上下に貫通して昇降可能
に中空筒体状の昇降ロッド１１２を設け、この上端に昇
降台１１４を取り付けている。

【００３９】この昇降台１１４上には、面状の下側の加
熱ランプ群１１６を設けると共に、この加熱ランプ群１
１６を覆うようにして例えば透明石英製の載置台１１８
を設け、この載置台１１８より突出した支持ピン１２０
上にウエハＷを載置するようになっている。これによ
り、上側及び下側の加熱ランプ群１０２、１１６により
ウエハＷを上下方向から、いわゆるホットウォール状態
で加熱するようになっている。上記マニホールド部１０
８には、ゲートバルブ１２２により開閉可能になされた
ウエハ搬出入口１２４が設けられると共に、底板１１０
には真空排気口１２６が設けられる。また、上記昇降ロ
ッド１１２の底板１１０に対する貫通部には、処理容器
１００内の気密性を維持しつつ昇降ロッド１１２の上下
移動を許容するベローズ１２８が設けられる。尚、上記
下側加熱ランプ群１１６に対する給電線等は上記中空昇
降ロッド１１２内に挿通されることになる。

【００４０】また、図１４に示す装置の場合には、図１
３に示す下側の加熱ランプ群１１６を設けないで、昇降
台１１４の上面に下側ミラー１３０を設けており、この
下側ミラー１３０と上側ミラー１０４との間で熱線を多
重反射させるようになっている。そして、この昇降台１
１４より突出させた分岐支持ピン１３２上にウエハＷを
載置するようになっている。このように図１３及び図１
４に示したような装置の場合にも、上側の加熱ランプ群
１０４及び下側の加熱ランプ群１１６の個々の加熱ラン
プは、図９〜図１２を参照して説明したように温度制御
されることになる。尚、以上の実施例では加熱手段の抵
抗値を求めるために、これに流れる電流と印加電圧を測
定し、これに基づいて求めるようにしたが、これに限定
されず、例えばＷｈｅａｓｔｏｎｅブリッジ、Ｋｅｌ
ｖｉｎダブルブリッジを構成して発熱部の抵抗値を基
準抵抗との比によって計測しても良いし、所定周波数の
電源をコンデンサーにより結合し抵抗値を計測する回路
を加熱用の回路と並列に設けて抵抗値を計測してもよ
い。

【００４１】図１５は一つの電源系を取り上げて抵抗値
の計測用の回路をコンデンサーを介して並列に接続した
例を示す。この例においては、加熱手段２４Ａの電源系
を例にとって示しており、例えばヒータである加熱手段
２４Ａへ供給する給電手段３２Ａの電源周波数を５０Ｈ
ｚ、一定電流源１０２の計測周波数を１００ＫＨｚ、
コンデンサー９６を１μＦとすれば、ヒータ２４Ａへの
供給電源（給電手段３２Ａ）からみて計測回路９８には
ヒータ２４Ａへの電流のほぼ１／１０００の電流しか流
れないが、計測周波数ではコンデンサー９６の影響はほ
ぼ１０％と小さく抵抗値の計測が可能となる。この抵抗
値の計測回路９８に例えば一定電流を流しておき電圧を
電圧計１００により計測する、あるいは一定の電圧を印
加しておき電流値を計測する等により抵抗値がより簡便
に計測できる。また、ここでは主に半導体ウエハを熱処
理する熱処理装置を例にとって説明したが、これに限定
されず、ガラス基板、ＬＣＤ基板等を熱処理する熱処理
装置、或いはジュール熱を用いて対象物を加熱する時に
温度測定を必要とするような装置に全て適用できるのは
勿論である。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の加熱手段
の温度制御方法、その装置及び熱処理装置によれば、次
のように優れた作用効果を発揮することができる。加熱
手段の抵抗値或いはその抵抗率を求めてその加熱温度を
演算するようにしたので、例えば熱電対等を用いた従来
方法と比較して加熱手段の正確な温度を求めることがで
きる。従って、これにより高い面内温度の均一性が実現
できる。また、複数の加熱ランプに間で特性の均一性を
保証するバランスを保つことが、各ランプの抵抗値等を
制御することによって実現することができる。また、加
熱ランプやコイルに抵抗値のバラツキがあったとして
も、このバラツキを加味して抵抗値を制御することがで
きるので、この点よりも被処理体の面内温度の均一性を
高く維持することができる。また、従来必要とされた熱
電対や高価な放射温度計を用いる必要がなくなり、金属
汚染もなくすことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の加熱手段の温度制御装置とバッチ式の
熱処理装置との関係を示す構成図である。

【図２】温度制御装置の抵抗値測定手段を主に示す図で
ある。

【図３】温度と体積抵抗率（抵抗率）との関係を示すグ
ラフである。

【図４】加熱手段に局部的に焼損が生じた時の電圧変化
を示すグラフである。

【図５】本発明装置の変形例の主要部分を示すブロック
構成図である。

【図６】抵抗値とコイル加熱手段の温度との関係を示す
グラフ（換算テーブル）を示す図である。

【図７】マイクロ波を用いたＥＣＲ枚葉熱処理装置を示
す図である。

【図８】本発明装置の他の変形例の主要部分を示すブロ
ック構成図である。

【図９】ランプ加熱式の枚葉式熱処理装置を示す図であ
る。

【図１０】熱処理装置の加熱ランプに設けた温度制御装
置を示す図である。

【図１１】本発明装置の更に他の変形例の主要部を示す
ブロック構成図である。

【図１２】抵抗値と加熱ランプのフィラメントの抵抗値
との関係を示すグラフ（演算テーブル）である。

【図１３】本発明が適用される加熱ランプの熱処理装置
を示す構成図である。

【図１４】本発明が適用される加熱ランプの他の熱処理
装置を示す構成図である。

【図１５】加熱手段の抵抗値を測定するための他の手法
を示す図である。

【図１６】従来のバッチ式の熱処理装置を示す概略構成
図である。

【符号の説明】

２熱処理装置８処理容器１０ウエハボート２４Ａ〜２４Ｅ加熱手段３０温度制御装置３２Ａ〜３２Ｅ給電手段３４抵抗値測定手段３６抵抗率算出手段３８抵抗率記憶手段３９，３９−１，３９−３抵抗値記憶手段４０制御手段４６抵抗検出部４８Ａ〜４８Ｅ電流検出部５０Ａ〜５０Ｅ電圧検出部Ｗ半導体ウエハ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】温度変化によって抵抗率が変化する材料
よりなる加熱手段の温度制御方法において、前記加熱手
段の抵抗値を測定する工程と、前記抵抗値に基づいて前
記加熱手段の温度を求める工程と、前記得られた温度に
基づいて前記加熱手段に加える電力を制御する工程とを
有することを特徴とする加熱手段の温度制御方法。
【請求項２】温度変化によって抵抗率が変化する材料
よりなる加熱手段の温度制御装置において、前記加熱手
段へ電力を供給する給電手段と、前記加熱手段の抵抗値
を測定する抵抗値測定手段と、前記抵抗値から前記加熱
手段の抵抗率を求める抵抗率算出手段と、前記加熱手段
の抵抗率と温度との関係を記憶する抵抗率記憶手段と、
前記求めた抵抗率と前記抵抗率記憶手段の記憶内容とに
基づいて前記加熱手段の温度を求めると共に求めた温度
に基づいて前記給電手段を制御することにより前記加熱
手段に供給する電力を調整する制御手段とを備えたこと
を特徴とする加熱手段の温度制御装置。
【請求項３】温度変化によって抵抗率が変化する材料
よりなる加熱手段の温度制御装置において、前記加熱手
段へ電力を供給する給電手段と、前記加熱手段の抵抗値
を測定する抵抗値測定手段と、前記加熱手段の抵抗値と
温度との関係を記憶する抵抗値記憶手段と、前記求めた
抵抗値と前記抵抗値記憶手段の記憶内容とに基づいて前
記加熱手段の温度を求めると共に求めた温度に基づいて
前記給電手段を制御することにより前記加熱手段に供給
する電力を調整する制御手段とを備えたことを特徴とす
る加熱手段の温度制御装置。
【請求項４】前記抵抗値測定手段は、前記加熱手段に
印加される電圧を検出する電圧検出部と、前記加熱手段
に流れる電流を検出する電流検出部と、前記検出された
電圧値と電流値とに基づいて抵抗値を検出する抵抗検出
部とよりなることを特徴とする請求項２または３記載の
加熱手段の温度制御装置。
【請求項５】高温源である加熱手段と処理容器を有す
る熱処理装置であって、温度によって抵抗率が変化する
材料よりなる前記加熱手段の抵抗値を所定の値に制御
し、ひいては前記加熱手段の温度を所定の値に制御する
事を特徴とする熱処理装置。
【請求項６】前記加熱手段が、タングステンのフィラ
メントを持つ複数の加熱ランプおよびミラーによって構
成され、前記それぞれの加熱ランプが所定の抵抗値とな
るように制御し、ひいては前記それぞれのランプのフィ
ラメントの温度を所定の値に制御する事を特徴とする請
求項５記載の熱処理装置。
【請求項７】前記加熱手段が、モリブデンあるいはモ
リブデンの化合物により製作された複数の電熱コイルに
よって構成され、それぞれの電熱コイルが所定の抵抗値
となるように制御し、ひいては前記電熱コイルの温度を
所定の値に制御する事を特徴とする請求項５記載の熱処
理装置。
【請求項８】前記加熱手段の抵抗値を所定の値になる
ように制御する温度制御装置が、抵抗値に関わる物理量
を測定する測定ユニットと、前記物理量から前記加熱手
段の抵抗値を求める抵抗検出部と、前記求められた抵抗
値と予め求められた抵抗値と温度との関係とに基づいて
前記加熱手段に加える電力を制御する制御手段とを有す
ることを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載の
熱処理装置。
【請求項９】前記物理量は、前記加熱手段に印加され
ている電圧と前記加熱手段に流れる電流であることを特
徴とする請求項８記載の熱処理装置。
【請求項１０】前記制御手段は、予め求めた温度と抵
抗値との換算テーブルを参照することを特徴とする請求
項５乃至９のいずれかに記載の熱処理装置。
【請求項１１】前記制御手段は、装置が停止して前記
加熱手段の温度が下がった状態での抵抗値を計測して換
算テーブルに対する補正値を求め、運転時には前記補正
値を加味するようにしたことを特徴とする請求項１０記
載の熱処理装置。