JPH0796169A - 熱処理装置の温度制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 外部温度センサのみで制御応答の高い温度制
御行うことが可能な温度制御方法を提供する。 【構成】 本発明によれば、式（１）で表されるＦＦ信
号ｆ（ｔ） ｆ（ｔ）＝Ｅ＊ｅｘｐ（−ｔ／Ｔ） …（１） （ここで、Ｅは最大振幅温度を表し、Ｔは時定数を表
す）と所望の設定温度信号とを合成し、その合成設定温
度信号に基づいて、外部温度を一旦オーバーシュートさ
せるように制御するので、内部温度の制御応答を従来の
方法に比較して高めることが可能である。その場合に、
その合成設定温度信号と外部温度センサによる検出値が
一致するように制御すれば十分なので、内部温度センサ
を用いずとも正確かつ迅速な温度制御を行うことが可能
である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱処理装置に関し、特
に熱処理装置のフィードフォワード温度制御方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、半導体製造工程においては、
被処理体である半導体ウェハの表面に薄膜や酸化膜を積
層したり、あるいは不純物の拡散を行うためにＣＶＤ装
置、酸化膜形成装置、あるいは拡散装置などが用いられ
ており、最近では、精度の高い処理を行うために、縦型
の熱処理炉が使用されている。この縦型の熱処理炉は、
一般に加熱用の管状炉を垂直に配置し、この管状炉の中
に石英などからなる反応管を（処理室）設け、多数の半
導体ウェハなどの被処理体を水平状態で縦方向に収容し
たボートを適当な昇降装置によって上昇させて上記反応
管内に搬入し、処理室内に導入される適当な反応ガスに
より、酸化膜形成などの所定の熱処理を炉内で実施する
ように構成されている。

【０００３】ところで、集積回路の高速化、高集積化に
伴って半導体ウェハ表面の処理を高精度で制御する必要
があるが、そのためには加熱処理時の温度制御の精度を
高めることが重要である。例えば、被処理体である半導
体ウェハを短時間で所定温度例えば５００℃から所定温
度例えば１０００℃まで上昇させるとともに、処理中は
所定温度例えば１０００℃に保持し、処理終了後には再
び短時間で所定温度例えば５００℃まで下降させてやる
必要がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
縦型加熱炉の構成では、被処理体は処理室外部に設置さ
れた加熱手段により加熱されるため、加熱手段から被処
理体への伝熱は、石英などからなる処理室の壁体あるい
は均一に温度伝搬させるための均熱手段などを介して間
接的に行われていた。したがって、処理室の外部と内部
では所定温度到達時間に差が生じるため、処理室外部に
おいて加熱手段の近傍に設置された外部温度検出手段に
よる温度制御のみでは、処理室内温度の制御応答が遅
く、処理室内の正確かつ迅速な温度制御を行うことがで
きなかった。特に処理室内にウェハを載置したボートを
挿入する際に、一旦処理室内の温度が下がることがある
が、従来の温度制御方法では制御応答が遅く、処理室内
の温度の回復（温度リカバリー）が遅くなることも問題
であった。

【０００５】そのため、従来の温度制御システムでは、
被処理体近傍の温度を検出するための内部温度検出手段
を処理室内に設置し、その内部温度検出手段により検出
された内部温度に応じて温度制御を行い、温度リカバリ
ーを速める方法が試みられている。しかしこの方法で
は、温度検出手段自体が処理室内に設置されるため、処
理中に温度検出手段にプロセスの膜が付着し、正確な温
度制御を行うことができず問題であった。

【０００６】さらに最近では、折線近似技法により得ら
れた設定温度レシピに従って、外部温度検出手段のみに
よって処理室内温度の制御を行う方法も開発されている
が、設定温度レシピを作成するために必要な入力パラメ
ータも多く、また作成に熟練を要するため実用上問題が
あった。

【０００７】本発明は上記のような従来の温度制御方法
の有する様々な問題点に鑑みてなされたものであり、そ
の目的とするところは、非常に簡単な方法で求めた補正
信号により設定温度の制御レシピを補正することによ
り、内部温度検出手段を用いずに外部温度検出手段のみ
でも、正確かつ迅速な処理室内温度制御を行うことが可
能な新規かつ改良された熱処理装置のフィードフォワー
ド温度制御方法を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明の第１の観点に基づく熱処理装置の温度制御方
法は、処理室内に配列された被処理体を、その処理室の
外部に設置された外部温度検出手段により検出された外
部温度に基づいて、その処理室の外部に設置された温調
手段により昇温するにあたり、その外部温度の昇温設定
温度信号を予め与え、その設定温度信号に基づく昇温に
先立って、所定時間予備昇温する予備昇温信号を作成
し、前記昇温設定温度信号と前記予備昇温信号とを合成
して、合成設定温度信号を求め、その合成設定温度信号
と前記処理室の外部温度とに基づいて前記温調手段の出
力を制御することを特徴としている。

【０００９】さらに本発明の第２の観点に基づく熱処理
装置の温度制御方法は、処理室内に配列された被処理体
を、その処理室の外部に設置された外部温度検出手段に
より検出された外部温度に基づいて、その処理室の外部
に設置された加熱手段などの温調手段により熱処理する
にあたり、その外部温度の設定温度信号を予め求め、そ
の設定温度信号と、次式（１）により予め求められた少
なくとも１つの予備昇温信号ｆ（ｔ） ｆ（ｔ）＝Ｅ＊ｅｘｐ（−ｔ／Ｔ） …（１） （ここで、Ｅは最大振幅温度を表し、Ｔは時定数を表
す）とを合成して、合成設定温度信号を求め、その合成
設定温度信号と前記処理室の外部温度とに基づいて加熱
手段などの温調手段の出力を制御することを特徴として
いる。

【００１０】さらに本発明によれば、上記熱処理装置の
温度制御方法を、被処理体加熱領域を少なくとも３つの
加熱手段で加熱処理する装置を備えた熱処理装置に適用
し、前記各加熱手段ごとに前記予備昇温信号を与えて昇
温する構成にすることも可能である。

【００１１】

【作用】本発明によれば、外部温度の昇温設定温度信号
と予備昇温信号とを合成し、外部温度と内部温度との時
間遅れを予め補正した信号により昇温を行うことによ
り、内部温度の制御応答を速めることが可能である。特
に本願発明者の知見によれば、処理室の外部温度と内部
温度の伝達関数は一次遅れ系で良好に近似することがで
きるため、式（１）に示すような指数関数ｆ（ｔ） ｆ（ｔ）＝Ｅ＊ｅｘｐ（−ｔ／Ｔ） …（１） （ここで、Ｅは最大振幅温度を表し、Ｔは時定数を表
す）を所望の設定温度に加えることにより、容易かつ迅
速に遅れを補正することが可能である。すなわち外部温
度を補正された合成設定温度に従って一旦オーバーシュ
ートさせることにより、内部温度の制御応答を速めるこ
とが可能である。しかもその際に、従来の方法のように
多くの制御パラメータを必要とせずに、補正に必要な最
大振幅温度および時定数を実験的にあるいはシミュレー
ションにより予め求め温度制御器に入力するだけで、し
かも内部温度検出手段を使用せずに外部温度検出手段に
より検出された外部温度の変化を監視するだけで、容易
に処理室の内部温度の制御反応速度を高めることができ
る。その結果、被処理体表面のより微細な加工が可能と
なり、さらに熱処理装置の制御性能を高めることにより
製品の歩留まりやスループットを向上させることができ
る。

【００１２】

【実施例】以下に添付図面を参照しながら、本発明に基
づいて構成された熱処理装置の温度制御方法を半導体ウ
ェハの縦型高速熱処理炉に適用した一実施例について詳
細に説明する。

【００１３】図１に示す縦型熱処理炉は、水平に固定さ
れた基台１上に垂直に支持された断熱性の頂部を有する
略円筒形状の管状炉２と、その管状炉２の内側に所定の
間隔３を空けて挿入された石英などからなる頂部を有す
る略円筒形状の反応管４と、上記管状炉２の内周壁に螺
旋状に配設された例えば抵抗発熱体などのヒータよりな
る加熱手段５と、複数の被処理体、例えば半導体ウェハ
Ｗを水平状態で垂直方向に多数配列保持することが可能
な石英などからなるウェハボート６と、このウェハボー
ト６を昇降するための昇降機構７とから主要部が構成さ
れている。

【００１４】さらに上記管状炉２の底部には上記間隔３
に連通する吸気口８が設置されており、適当なマニホル
ド９を介して接続された給気ファン１０により上記間隔
３内に冷却空気を供給することが可能である。また上記
管状炉２の頂部には同じく上記間隔３に連通する排気口
１１が設置されており、上記間隔３内の空気を排気する
ことが可能なように構成されている。

【００１５】また上記反応管４の底部には図示しないガ
ス源に流量制御装置を介して接続された反応ガス供給管
路１２が設けられており、上記反応管４の内部の処理室
１３に所定の反応ガスを導入することが可能である。さ
らに上記反応管４の底部には図示しない真空ポンプなど
の排気手段に接続された排気管路１４が接続されてお
り、上記処理室１３内を所定の圧力に真空引きすること
が可能なように構成されている。

【００１６】また上記ウェハボート６は、半導体ウェハ
Ｗを多段状に保持する保持部６ａの下に保温筒１５を介
して蓋体１６を備えており、上記昇降機構７により上記
ウェハボート６を上昇させることにより、上記蓋体１６
が上記反応管４の底部の開口を気密に封止することが可
能なので、処理時には上記処理室１３内を上記排気管路
１４を用いて真空引きし、さらに上記排気管路１０から
の排気を行いつつ上記反応ガス供給管路１２から所定の
反応ガスを上記処理室１３内に導入することが可能なよ
うに構成されている。

【００１７】次に上記のように構成された縦型熱処理炉
の温度制御系について説明する。温度制御系は、半導体
ウェハＷの配列方向に沿って複数（図示の例では上部、
中央部、下部）に分割配置される上部ヒータ５ａ、中央
部ヒータ５ｂおよび下部ヒータ５ｃと、上記管状炉２の
上記各ヒータに対応した複数箇所（図示の例では上部、
中央部および下部）に配置される温度検出手段、例えば
熱電対などから構成される温度センサ１７ａ、１７ｂ、
１７ｃを備えている。このように、本発明によれば温度
センサ１７ａ、１７ｂ、１７ｃは、上記反応管４の外部
においてヒータ５ａ、５ｂ、５ｃの近傍に設置するだけ
で十分であり、従来の温度制御方法のように上記反応管
４の内部に温度センサを設置する必要がない。なお図示
の例では、１つの温度センサ１７ａ、１７ｂ、１７ｃを
３つ上部、中央部および下部に配しているが、温度セン
サの数及び設置場所はこの実施例に限定されない。温度
のゾーン制御を行わない場合には単一の温度センサによ
り温度制御を行うことも可能である。また図示の例で
は、外部温度センサ１７のみで内部温度センサを設けて
いないが、必要に応じて適宜内部センサを設け、例えば
補正信号のパラメータを得る構成とすることも可能であ
る。

【００１８】上記温度センサ１７ａ、１７ｂ、１７ｃに
より検出された温度信号は、適宜温度制御器１８に送信
され、後述するように本発明に基づいて補正された設定
温度レシピに基づいて加工され、制御信号としてヒータ
電源１９に送られヒータ５ａ、５ｂ、５ｃの出力を制御
したり、あるいはインバータ２０に送られ給気ファン１
０を周波数制御することが可能なように構成されてい
る。なお図示の例ではヒータ電源１９およびインバータ
２０はそれぞれ１つが設置されているに過ぎないが、本
発明はかかる実施例に限定されない。例えば上述のよう
に温度をゾーン制御する場合にはそれぞれのゾーンに設
置されたヒータに対応する複数のヒータ電源を設置する
ことも可能であり、あるいは冷却性能を向上させるため
に排気口１１に図示しない強制排気ファンを設置する場
合にはその排気ファンの回転数を制御するためのインバ
ータを設けることも可能である。

【００１９】次に上記のように構成された縦型熱処理炉
を本発明により温度制御する方法について説明する。図
２は本発明方法に使用されるフィードフォワード信号の
波形を示している。図示のように本発明により使用され
るフィードフォワード（ＦＦ）信号は式（１）に示すよ
うな指数関数ｆ（ｔ） ｆ（ｔ）＝Ｅ＊ｅｘｐ（−ｔ／Ｔ） …（１） （ここで、Ｅは最大振幅温度を表し、Ｔは時定数を表
す）により近似される信号である。すなわち、発明者ら
の知見によれば、処理室の内部温度と外部温度とが一次
遅れ系の伝達関数により近似できるため、上記のような
指数関数で近似されるフィードフォワード信号ｆ（ｔ）
により制御応答を速めることができるのである。

【００２０】その合成の様子を図３に示す。図示のよう
に例えば５００℃から１０００℃にまで処理室内の設定
温度を上昇させるためのランプ信号Ａがあった場合に、
このランプ信号Ａをそのまま温度コントローラに印加す
ると、処理室の外部から内部への伝熱遅れのために、処
理室内の温度制御応答は遅く、ランプ信号に示される所
望の立ち上がりを得ることはできない。そこで、本発明
により求めたフィードフォワード信号ｆ（ｔ）Ｂを上記
ランプ信号Ａに合成し、合成設定温度Ｃを求め、その信
号を温度コントローラに印加した場合には、時定数Ｔと
最大振幅温度Ｅにより一義的に決定されるフィードフォ
ワード信号分だけ前倒しでヒータ出力が高められるの
で、その分だけ処理室内の温度制御応答を速めることが
可能となる。

【００２１】なおフィードフォワード信号ｆ（ｔ）を求
めるための最大振幅温度Ｅおよび時定数Ｔは、実験的に
あるいはシミュレーションにより求めることが可能であ
る。また上記例ではランプ信号Ａに対して１つのフィー
ドフォワード信号Ｂを加えているが、本発明はかかる実
施例に限定されない。例えばウェハボート挿入時に温度
が低下した時点で、あるいはランプ信号の立ち上がり時
点で、あるいはランプ信号の終点時点で、適宜最適なフ
ィードフォワード信号Ｂを加えて、設定温度をフィード
フォワード制御することが可能である。さらに複数のゾ
ーン毎に温度制御を行う場合には、複数のランプ信号Ａ
１、ランプ信号Ａ２…に対して、同一のあるいは異なる
フィードフォワード信号Ｂ１、Ｂ２…を印加して、最適
な制御条件を求めることが可能である。

【００２２】図４には、本発明に基づく温度制御方法の
流れを示すブロック図が示されている。図示のように予
め設定されている所望の設定温度４１に対して、フィー
ドフォワード信号発生器（ＦＦ信号発生器）４２により
形成されたフィードフォワード信号（ＦＦ信号）を合成
し、合成設定温度を形成する。なおＦＦ信号を作り出す
タイミングと設定温度は例えば図示しないプロセスコン
トローラのレシピに予め指定することが可能である。ま
たＦＦ信号を作り出すための最大振幅値Ｅと時定数Ｔ
は、例えば上記ＦＦ信号発生器４２に１組以上のデータ
パターンとして記憶しておくことが可能である。さらに
この上記ＦＦ信号発生器４２は、後述する温度コントロ
ーラ４４の一部として、あるいは上記プロセスコントロ
ーラの一部として、あるいは独立した装置として構成す
ることが可能である。

【００２３】上記のようにしてＦＦ信号と設定温度とを
合成した合成設定温度は、実際の温度制御の設定温度と
して上記温度コントローラ４４に与えられ、そこから制
御信号が電力制御機器４５に送られ、ヒータ４６の出力
が調整される。このヒータ４６による加熱温度は外部温
度センサ４７により適宜検出され、上記温度コントロー
ラ４４にフィードバックされ、その温度信号と上記合成
設定温度を一致させるように上記温度コントローラ４４
は上記電力制御機器４５および上記ヒータ４６を制御す
る。

【００２４】本発明による温度制御の結果を図５に示
す。図示のように通常の温度制御を行った場合には外部
温度Ｂがオーバーシュート生じないように制御されて目
標温度、例えば７００℃にランプアップされる。これに
伴い内部温度（ｂ）は緩やかに、すなわち遅い制御応答
で目標温度に漸近していく。しかしながら、本発明に基
づく温度制御を行った場合には、外部温度Ａが達成温度
よりも一旦オーバーシュートし、そのオーバーシュート
に応じて内部温度（ａ）も従来の方法よりも迅速に応答
して目標温度にまで到達することが分かる。このよう
に、本発明方法によれば、簡単に形成可能な補正信号を
設定温度信号に加えてやるだけで、外部温度センサによ
る検出温度を監視するだけで処理室の内部温度の応答性
を高めることが可能である。

【００２５】最後に本発明に基づく温度制御方法を図１
に記載した縦型熱処理装置に適用し酸化膜形成処理を行
った場合について簡単に説明する。まず上記吸気口９お
よび上記排気口１１のそれぞれのシャッタ２１および２
２を閉止し、上記ウェハボート６を上昇させて半導体ウ
ェハＷを上記反応管４内に収容する。次いで上記ヒータ
５ａ、５ｂ、５ｃにより上記反応管４内の上記処理室１
３を所定温度、例えば１０００℃に加熱するが、その場
合に、本発明によれば、予め設定された設定温度信号に
対してＦＦ信号が加えられ、上記ヒータ５ａ、５ｂ、５
ｃの出力が一旦オーバーシュートされ、内部温度の応答
性が高められるので、迅速に所望の温度にまで上記処理
室１３の内部温度を上昇させることが可能である。

【００２６】その後、上記反応ガス導入管路１２から所
定の反応ガス、例えば酸素が上記処理室１３内に導入さ
れ、半導体ウェハＷ表面に酸化膜を形成することが可能
である。処理終了後には、上記排気管路１４から反応ガ
スを排気するとともに、炉内の温度を迅速に下げるため
に、上記シャッタ２１および２２を開放し、上記給気フ
ァン１０により上記管状炉２と上記反応管４との間の間
隔３に冷却空気を供給することが可能である。このよう
にして処理室１３内の温度が所定温度まで低下した後、
上記昇降機構７を下降させて半導体ウェハＷを取り出
し、熱処理装置による酸化膜形成処理は終了する。

【００２７】なお上記実施例では、ランプアップ信号す
なわち加熱信号にＦＦ信号を合成し補正した場合を例に
挙げて説明したが、本発明方法はかかる実施例に限定さ
れない。本発明方法は、ランプダウン信号すなわち冷却
信号にＦＦ信号を合成し補正することも可能である。す
なわち上記例に即して説明すれば、炉内の冷却時に上記
給気ファン１０をインバータ２０により周波数制御する
が、その際に、本発明方法によればインバータ２０に送
るランプダウン信号に本発明に基づいて形成されたＦＦ
信号を合成付加することにより、炉内の冷却応答を速め
ることも可能である。ただし、この場合には、ＦＦ信号
を形成するために使用される最大振幅温度値は加熱の場
合と異なりマイナス値となることに留意する必要があ
る。このように本発明方法では、最大振幅値をマイナス
値からプラス値まで制御対象に応じて適宜選択すること
により、加熱時にも冷却時にも最適な温度制御を達成す
ることが可能である。

【００２８】さらに上記実施例では、本発明方法を半導
体ウェハの縦型熱処理装置に適用した場合について説明
したが、本発明はかかる実施例に限定されない。このほ
かにも特許請求の範囲に記載された本発明の技術的思想
を逸脱しない範囲で、半導体ウェハ以外の例えばガラス
基盤、ＬＣＤ基盤などの被処理体の熱処理装置の温度制
御にも応用することが可能である。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
わずか２つのパラメータにより一義的に決定されるＦＦ
信号と所望の設定温度信号とを合成し、外部温度を一旦
オーバーシュートさせるので内部温度の制御応答を従来
の方法に比較して高めることが可能である。その場合
に、その合成設定温度信号と外部温度センサによる検出
値が一致するように制御すれば十分なので、内部温度セ
ンサを用いずとも正確かつ迅速な温度制御を行うことが
可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法を適用可能な縦型熱処理装置の概略
的な断面図である。

【図２】本発明に基づいて形成されたフィードフォワー
ド信号（ＦＦ信号）の波形を示す説明図である。

【図３】本発明に基づいて設定温度信号とＦＦ信号とを
合成して求めた合成設定温度信号の様子を示す説明図で
ある。

【図４】本発明を実施するための制御流れを示すブロッ
ク図である。

【図５】本発明に基づく温度制御の結果と従来の温度制
御の結果を比較するグラフである。

【符号の説明】

２ 管状炉 ３ 間隔 ４ 反応管 ５ ヒータ ６ ウェハボート １７ 温度センサ １８ 温度制御器 １９ ヒータ電源

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０５Ｄ 23/19 Ｇ 9132−3Ｈ Ｊ 9132−3Ｈ Ｇ０６Ｆ 19/00 Ｈ０１Ｌ 21/22 9278−4Ｍ 21/324 Ｚ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 処理室内に配列された被処理体を、その
   処理室の外部に設置された外部温度検出手段により検出
   された外部温度に基づいて、その処理室の外部に設置さ
   れた温調手段により昇温するにあたり、 その外部温度の昇温設定温度信号を予め与え、 その設定温度信号に基づく昇温に先立って、所定時間予
   備昇温する予備昇温信号を作成し、前記昇温設定温度信
   号と前記予備昇温信号とを合成して、合成設定温度信号
   を求め、 その合成設定温度信号と前記処理室の外部温度とに基づ
   いて前記温調手段の出力を制御することを特徴とする、
   熱処理装置の温度制御方法。
2. 【請求項２】 処理室内に配列された被処理体を、その
   処理室の外部に設置された外部温度検出手段により検出
   された外部温度に基づいて、その処理室の外部に設置さ
   れた加熱手段などの温調手段により熱処理するにあた
   り、 その外部温度の設定温度信号を予め求め、 その設定温度信号と、次式（１）により予め求められた
   少なくとも１つの予備昇温信号ｆ（ｔ） ｆ（ｔ）＝Ｅ＊ｅｘｐ（−ｔ／Ｔ） …（１） （ここで、Ｅは最大振幅温度を表し、Ｔは時定数を表
   す）とを合成して、合成設定温度信号を求め、 その合成設定温度信号と前記処理室の外部温度とに基づ
   いて加熱手段などの温調手段の出力を制御することを特
   徴とする熱処理装置の温度制御方法。
3. 【請求項３】 被処理体加熱領域を少なくとも３つの加
   熱手段で加熱処理する装置を備え、前記各加熱手段ごと
   に前記予備昇温信号を与えて昇温することを特徴とす
   る、請求項１または２に記載の熱処理装置の温度制御方
   法。