JPH03196206A - 熱処理方法および熱処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

この発明は、熱処理装置に関する。

【従来の技術１ 例えば半導体集積回路の製造工程中には、例えばフォト
リソグラフィー工程におけるベーキング処理、成膜処理
、アッシング処理等、種々の熱処理工程がある。 従来、この熱処理例えばベーキング処理は、例２えば枚
葉式の場合には、例えばＳＵＳやアルミニウムからなり
、ニクロム線などの発熱抵抗体を内蔵した加熱板上に被
処理基板を載置すると共に、例えば加熱板に熱電対や測
温抵抗体等の温度センサを埋設し、この温度センサによ
り温度をモニターすることにより、処理温度をコントロ
ールするようにしている。 【発明が解決しようとする課題】 以上のように、従来の熱処理装置の温度制御方法は、温
度をモニターして温度コントロールする方式であるので
、制御の遅れが生じ、被処理体を所定温度に立ち上げる
時や所定温度まで立ち下げる時、または、外乱等の影響
で温度変化の可能性がある状況において、応答性のよい
正確な制御が困難であった。 すなわち、ヒーター等の発熱体から発する熱流束（熱流
束は単位面積及び単位時間当たりの熱量；単位は（ｋｃ
ａｌ／ｍ２・ｈ））により加熱板延いては被処理基板が
加熱されるものであるが、般に温度は熱流束の時間及び
座標についての積分値であり（下記の熱拡散方程式の式
（１）及びフーリエの法則の式（２））　、熱流束が定
まった後、その結果として加熱板及び被処理体の温度が
定まり、熱流束と温度との間には一定の相関がある（下
記の熱拡散方程式の式（３））。 玖ニー　１　・ａ２１　　　・・　（１）ａｔ　　ｐＣ
ｐ　　ａｙ２ ａｔ　　　ｐＣｐ　　　ａｙ Ｔ；温度、ｑ；熱流束、ｔ；時間、ｙ；座標ρ；密度、
ｃｐ、熱容量、に；熱伝導度このため、現象変化として
は、温度よりも熱流束が早く検知され昌＜、温度をモニ
ターしたのでは制御の遅れが生じることになる。したが
って、従来の温度モニタ一方式による温度制御方式では
、外乱等の影響で温度変化の可能性がある状況において
、設定温度の状態から外乱による温度変化を予測して、
この外乱を抑圧する方向に制御することはできなかった
。 また、所定温度への立ち上げ時や立ち下げ時の温度履歴
をコントロールしようとする場合に、予め定められた温
度履歴に沿うように温度を予測して制御することはでき
なかった。しかも、昇温及び降温中に外乱が生じて熱流
束が初期のものと異なったとしても、温度モニタ一方式
では、これに対応できるのは、温度変化となって現れた
後で、どうしても制御の遅れは否めない。したがって、
従来の温度コントロール方式では、所望の昇温変化パタ
ーンや降温変化パターンを精度良く、正確に得るように
することは困難であった。 また、ベーキング工程は、フォトレジストを塗布した後
や、フォトレジスト膜の露光、現像後等に、フォトレジ
スト中の溶剤を除去するとともに、レジストに耐熱性を
付与しつつレジストの物性（感光性や解像度等）をコン
トロールするために行われる加熱処理で、例えば特開昭
６１−２０１４２６号公報に開示されるように、半導体
ウェーハ等を予め設定した所望のベーキング温度で、所
定時間、加熱するというものである。 例えば第２図に示すように、加熱板により被処理基板を
予め定められた温度Ｔ、に設定し、この温度Ｔ１を保持
した状態で予め定められた設定時間Ｄ２だけ加熱を行な
う。 ところで、第２図において、従来は上記のように、設定
温度Ｔ、の期間は、その温度を一定にする温度管理は行
なっていたが、昇温期間Ｄ１及ｑ冷却期間Ｄ３における
温度変化匂配やその期間の長さ等の履歴（温度変化パタ
ーン）は全く管理されていなかった。 このように従来は昇温変化パターンや降温変化パターン
は、温度管理されていないため、同じ種類の半導体ウェ
ー八等の被処理基板であっても、これらのパターンが被
処理基板毎に区々となり、基板毎にレジストの物性が異
なってしまい、信頼性に欠けるという問題があった。 また、最近は、半導体デバイスの高密度化、高デバイス
化に伴い、レジストパターンが微細化してきている。こ
のため、従来、ベーキング工程において無視されていた
昇温期間や降温期間の温度変化パターンがフォトレジス
トの解像度や感光性等の物性に与える影響が無視できな
くなってきており、これら昇温変化パターンや降温変化
パターン等の履歴を所定のものにコントロールして、よ
り良いレジスト物性を得ることが必要になっている。 そこで昇温期間、降温期間においても、温度コントロー
ルを行なうことが考えられるが、前述したように、従来
の温度制御方法は、温度をモニターして温度コントロー
ルする方式であるため、特に急俊なる温度変化の場合、
制御の遅れが生じ、温度を予測して温度履歴を所望のも
のにするようにすることはできなかった。 この発明は、以上の点に鑑み、温度変化を予測して制御
できるようにすることにより、上記の欠点を改善した熱
処理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】

この発明は、被処理体を加熱手段により加熱して所定の
処理を行なう熱処理装置において、上記加熱手段から上
記被処理体に与えられる熱流束を検出する熱流束検出手
段を設け、この熱流束検出手段の出力に基づいて上記加
熱手段を制御するようにしたことを特徴とする。

【作用】

前述したように、現象変化としては温度よりも、熱流束
が早く対応する。しかも、熱流束と温度とは一定の相関
があるから、熱流束をモニターすることにより温度変化
を予測することができる（前記の式（３））。このため
、外乱のある状況においても、温度を常に安定に制御す
ることができると共に、温度の昇温あるいは降温特性を
所望のものに精度良く管理することが可能になる。

【実施例】

以下、この発明による熱処理装置の一実施例を、フォト
リソグラフィー工程のベーキング装置に適用した場合を
例にとって、図を参照しながら説明する。 第１図において、熱板１は金属からなり、その内部には
発熱抵抗体２が埋め込まれている。この熱板１の上には
半導体ウェーハ３が載置されており、熱板１によって、
後述するように加熱制御される。 熱板１の発熱抵抗体２には、例えば商用交流電源４から
スイッチング素子、この例では５ＳＲ（Ｓｏｌｉｄ　５
ｔａｔｅ　Ｒｅ１ａｙ）　５を介して電力が供給される
。この場合、５ＳＲ５は、後述するようにコンピュータ
を備える温度制御回路１０からのＰＷＭ（パルス幅変調
）信号ＳＭによってスイッチング制御され、発熱抵抗体
２には信号ＳＭのパルス幅に応じた時間分だけ交流電流
が流れ、発熱抵抗体２はその供給電力量に応じて発熱す
る。したがって、ＰＷＭ信号ＳＭのパルス幅を変えるこ
とによって発熱抵抗体２に供給される信号ＳＭの１周期
Ｔ当たりの電力量を調節し、熱板１の温度を制御するこ
とができる。すなわち、この場合、熱板１の温度は、Ｐ
ＷＭ信号ＳＭのパルス幅Ｗの期間で発熱抵抗体２に電力
が供給されることにより微視的に上昇する温度と、パル
ス幅期間の後の期間で発熱抵抗体２への電力が遮断され
ることにより微視的に下降する温度との平均の温度とな
る。したがって、今、熱板１の昇温特性と降温特性が等
しいと仮定すれば、例えばＰＷＭ信号ＳＭの１周期Ｔに
おけるパルス幅Ｗが１／２Ｔ、つまりデユーティ比５０
％の時は、熱板１の温度は変わらず、ＰＷＭ信号ＳＭの
パルス幅Ｗが１／２Ｔより広くなれば、熱板１の温度は
、パルス幅Ｗに応じた傾きで上昇し、逆に、ＰＷＭ信号
ＳＭのパルス幅Ｗが１／２Ｔより狭くなれば、熱板１の
温度は、パルス幅Ｗに応じた傾きで下がる。こうして、
ＰＷＭ信号ＳＭのパルス幅Ｗを変えることによって、熱
板１の温度を自由にコントロールできる。 熱板１のウェーハ３の載置面近傍には、例えば熱電対や
測温抵抗体からなる温度センサ６が設けられ、この温度
センサ６の出力が温度計７に供給される。そして、この
温度計７の検出温度に応じた出力信号が温度制御回路１
０に供給される。 また、ウェーハ３の表面の近傍に熱流センサ８が設けら
れ、この熱流センサ８の出力が熱流計９に供給されて、
熱流束ｑが求められ、この熱流束ｑが温度制御回路１０
に供給される。この熱流センサ８は、微小なる温度誤差
を検出すべく熱伝導率λの十分小さい薄板材料（厚さｄ
）で構成され、この薄板を貫通して流れる熱流束ｑは、
次の式から求めることができる。 ｑ−＾・ΔＴ　　　　　・・・・　　（４）ここで、Δ
Ｔは薄板の表裏両面間の温度差で、λ及びｄが既知であ
るから、このΔＴを例えば熱流センサ８に設けた差動熱
電対によって測定することによって熱流計９から熱流束
ｑを求めることができる。温度制御回路１０は、この熱
流束ｑからウェーハ３の温度変化を予測する（前出の式
（３）で示される原理に基づく）。 なお、熱板１には、半導体ウェーハ３を支持して熱板１
から持ち上げる図示しないビンが貫挿されている。さら
に半導体ウェーハ３は、図示しない搬送機構により、熱
板１上に搬送され、ピンの昇降により、熱板１に対し、
ロード、アンロードされるようになっている。 次に、第１図のように構成された熱処理装置を用いたベ
ーキング処理について説明する。 先ス、前述した図示しないピンを熱板１の表面から突き
立てる。そして、この突き立ったピン上に搬送して来た
半導体ウェーハ３を載置する。次に、ピンを降下させて
半導体ウェーノー３を熱板１上に載置して吸着によって
保持する。そして、熱板１からの熱伝導によって次のよ
うな温度コントロールに従った半導体ウェーｌ＼３の加
熱を行なう。 この例の場合、前述したように、温度制御回路１０はコ
ンピュータを備えており、キーボードなどのベーキング
パターン入力手段１１によって、半導体ウェーハ３等の
被処理体の種類に応じて適切な熱履歴を呈するようにす
るための仕様書（レシピ）が入力され、これが記憶され
て、このレシピに従った温度コントロールが行われる。 第３図は、このレシピの一例で、常温２０℃から６０秒
間の間に、所定の傾きを持って１２０℃まで上昇し、そ
の後６０秒間はその１２０℃を保持し、その後の６０秒
間に常温２０℃まで冷却するという熱履歴で、この熱履
歴を再現できるようにするために、例えば第３図のよう
に各点ＰＯ〜Ｐ８を定め、これら各点ＰＯ〜Ｐ８におけ
る時間と温度情報を入力することによりレシピを入力す
る。 温度制御回路１０では、点ＰＯ〜Ｐ３までの昇温期間及
び点Ｐ５〜Ｐ８までの降温期間においては、隣り合う２
点（例えばＰｉ−ＰＯ）の情報から、この２点間の温度
勾配を求め、この温度勾配となるようなパルス幅ＷのＰ
ＷＭ信号ＳＭを、５ＳＲ５に供給する。そして、この際
、熱流センサ８によって検出した温度差に比例する出力
信号に基づいて、熱流計９において熱板１からの熱流束
を検出し、予め求めたこの熱流束とウェーハ温度変化と
の相関を参照しつつ（後述の式（５））、レシピから演
算して求めた温度とこの熱流束から推定されるウェーハ
３の温度との誤差を順次補正するように信号ＳＭのパル
ス幅Ｗが制御される。 ここで、 ρＣｐ Ｔ；温度１ｔ１時間、ｑ；熱流束、ｙ；座標Ｌ；ウェー
ハと熱流センサ間の距離 ρ；室空気密度、ｃｐ、空気の熱容量 ；熱流センサ本体、Ｓ；ウェー７１表面ｆ　（Ｌ、　　
ｔ）　　；ｑ　　とｑｓ間の一定の関係を表わす関数 なお、この昇温期間ＰＯ〜Ｐ３及び降温期間Ｐ５〜Ｐ８
においては、副次的に温度センサ６からの温度情報が参
照され、制御温度結果の検証がなされる。 点Ｐ３〜Ｐ５の間の温度整定期間においては、温度セン
サ６のみからの温度計測情報を参照して温度制御回路１
０は、発熱抵抗体２の制御を行なう。これは、熱板１は
、比較的熱容量が大きく温度が整定した後は、外乱はほ
とんど影響しないからである。もっとも、外乱の影響を
受ける状態のときには、熱流計９からの熱流束をも参照
して発熱抵抗体２を制御するようにしたほうがよい。 なお、この場合の温度コントロール方法としては、例え
ばＰＩＤコントロール方式などの線形制御方式を用いる
ことができる。すなわち、例えば昇温期間において前記
２点の情報から求めた傾きに基づいて、時々刻々の温度
（基準温度）を求めておき、この基準温度と熱流計９に
より検出した熱流束から推定されるウェーハ３の温度と
の誤差を求め、この温度誤差から供給電力量を求め、Ｐ
ＷＭ信号ＳＭのパルス幅Ｗをそれに応じたものとする。 以上のようにして、熱流計９によって被処理体であるウ
ェーハ３を貫通する熱流束を検出し、この熱流束から温
度を予測して制御することにより、ベーキング処理にお
いて昇温期間及び降温期間を応答性良く正確に制御する
ことが可能になり、同品種のウェーハではレジスト物性
の揃ったものが得られる。また、昇温期間及び降温期間
の熱履歴を制御することも可能になるので、レジスト物
性を所望のものにすることができるという効果もある。 以上の例では、ウェーハ３は熱板１に直接的に載置した
が、熱板１上に数ｐ突出する球体状の物を少なくとも３
点設けて、これによって半導体ウェーハ３を３点支持す
るようにすると、半導体つ工−ハ３は熱板〕に直接接触
せず、熱板１にゴミが存在していても、そのゴミが半導
体ウェーハ３の裏面に付着するのを防止することができ
る。この場合には、ウェーハ３と熱板〕との間に空気が
入るので、ウェーハ３に対する温度制御はその分だけ遅
れることになるが、この発明においては、温度をモニタ
ーするのではなく、熱流束をモニターするので、ウェー
ハ３の温度を予測した加熱制御を良好に行なうことがで
き、制御の遅れを小さくすることができるという特長も
ある。 なお、熱流センサ８の取り付は位置は、被処理体に与え
られる熱流束を検出できる位置であれば良く、例えば熱
板１内に設けてもよい。 また、加熱手段は、熱板に発熱抵抗体を埋め込んだもの
に限らず、種々の発熱手段を用いたものが使用でき、例
えば熱板に薄膜状の発熱体を被着したものを用いるよう
にすることもできる。この場合、熱板の熱容量を小さく
すべく、できる限り薄い熱板を使用すれば、上述の熱流
束による温度制御の性能を、さらに発揮させることが可
能となる。 また、被処理体は半導体ウェーハに限らず、例えばＬＣ
Ｄ基板、ガラス基板、プリント基板等にも適用できるこ
とは言うまでもない。 また、以上の例は、枚葉式の場合であるが、バッチ処理
の場合にも適用できることはもちろんである。 さらに、上述の実施例ではレジスト塗布後のベーキング
に適用したが、現像液塗布後のベーキングや、イオン注
入、ＣＶＤ、エツチング、アッシングなどの処理前のベ
ーキング、処理中のベーキングなどにも適用してもよい
。 また、さらに、ベーキング装置に限らず、成膜装置、ア
ッシング装置、その他の熱処理装置にも、この発明が適
用できることは容易に理解できよう。

【発明の効果】

以上説明したように、この発明によれば、熱流センサに
より、被処理体を貫通する加熱手段からの熱流束を検知
し、その熱流束に基づいて温度を予δ−１して制御する
ものであるから、制御の遅れを小さくでき、昇温及び降
温を迅速に行うことが可能になると共に、昇温及び降温
履歴を制御することも可能になる。 また、外乱の存在する状態では、外乱の影響を温度変化
として現象的に現れる前に熱流束の変化として検知する
ことができるので、安定した温度制御を行なうことがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明による熱処理装置をベーキング装置
に適用した場合の一実施例を示す図、第２図は、ベーキ
ング時の温度履歴の一例を示す図、第３図は、ベーキン
グ工程における温度制御のためのレシピの一例を説明す
るための図である。 １；熱板 ２；発熱抵抗体 ３；半導体ウェーハ ８；熱流センサ ９；熱流計 １０；温度制御回路

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 被処理体を加熱手段により加熱して所定の処理を行なう
   熱処理装置において、 上記加熱手段から上記被処理体に与えられる熱流束を検
   出する熱流束検出手段を設け、 この熱流束検出手段の出力に基づいて上記加熱手段を制
   御するようにしたことを特徴とする熱処理装置。