JP5535566B2 - 半導体基板熱処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体基板熱処理装置に係り、特に枚葉型の半導体基板熱処理装置に関する。

半導体製造工程のひとつとして熱処理工程がある。半導体製造工程における熱処理工程では、ウエハの温度を均一にする必要があり、熱処理装置の方式としてランプ加熱方式、抵抗加熱方式、ゾーンコントロール誘導加熱方式などが知られており、各加熱方式において種々の改良が重ねられてきている。

ランプ加熱方式や抵抗加熱方式に比べて急速かつ温度分布制御に優位とされるゾーンコントロール誘導加熱方式において大径ウエハの加熱を行う場合には、図５（Ａ）、（Ｂ）に示すように、枚葉型の加熱方式が採られている（特許文献１、特許文献２参照）。なお、図５において、図５（Ａ）は熱処理装置の側面構成、図５（Ｂ）は平面構成を示すブロック図である。

具体的には、同心円上に配置された複数の円形誘導加熱コイル２と、この円形コイル２の上部に配置された加熱体（グラファイト３）を有する装置により、グラファイト３の上に載置したウエハ４を加熱するという方式である。このような基本構成を有する熱処理装置１では従来、加熱ゾーン毎、あるいは誘導加熱コイル２毎にそれぞれ図示しない温度センサを設け、温度センサにより検出された各加熱ゾーン、あるいは誘導加熱コイル２による加熱領域の温度に基づいて、投入電力のフィードバック制御が行われていた。

特開２００８−１５９７５９号公報 特開２００４−２４１３０２号公報

しかし、このような温度センサの配置形態、および加熱制御では、他の加熱ゾーンを加熱する誘導加熱コイルによる磁束の影響や、単一加熱ゾーン内に備えられた複数の誘導加熱コイルによる加熱割合のバランス等により、温度検出エリアとして定めた領域内における温度差を考慮することができない。このため、温度分布を均一化させるようなフィードバック制御を行ったにも係わらず、逆に温度分布を大きくしてしまう結果となるような事態も起こり得る。

単純に考えれば、温度センサの数を増やして制御値の基となるデータ数を増やせば、温度分布の均一化への精度を向上させることができると思われる。しかし、温度センサ数を増やした場合には、制御を行うための演算が複雑になるとともに、当然に装置コストが増大することとなる。

そこで本発明では、従来よりも温度センサの数を少なくし、かつ隣接する加熱ゾーン間における磁束の干渉を考慮した温度分布制御を行うことのできる半導体基板熱処理装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る半導体基板熱処理装置は、同心円上に配置された複数の誘導加熱コイルと、複数の前記誘導加熱コイルのそれぞれに接続されて、各誘導加熱コイルに対する投入電力を制御するインバータと、複数の前記誘導加熱コイルにより構成される面上に配置される加熱体とを有して前記加熱体に載置された半導体基板を加熱する半導体基板熱処理装置であって、複数の前記誘導加熱コイルから、隣接配置された２つの誘導加熱コイルをそれぞれ組として選択し、選択した組を成す２つの前記誘導加熱コイル間で加熱される前記加熱体を温度検出点としてそれぞれ温度の検出を行う複数の温度センサと、複数の前記温度センサにより検出された前記温度検出点間の温度から温度勾配を導き出し、当該温度勾配に基づいて、複数の前記誘導加熱コイルのそれぞれに投入する電力を定める温度制御部とを備えることを特徴とする。

上記のような特徴を有する半導体基板熱処理装置において前記温度制御部は、隣接配置された温度センサにより検出された温度を比較することにより、前記温度検出点間の温度勾配を求め、前記温度検出点間の温度勾配に基づいて、前記組を成す２つの誘導加熱コイルへの投入電力に基づいて、前記組を成す２つの誘導加熱コイルによる加熱ゾーンそれぞれの温度バランスを予測し、予測した前記加熱ゾーンの温度バランスに応じて、前記温度勾配を補正し、補正後の温度勾配に基づいて、前記誘導加熱コイルに対する投入電力を定めるものであると良い。

このような特徴を有することにより、従来よりも温度センサの数を少なくした場合であっても、各誘導加熱コイルに対する投入電力の指令値として適切な値を導き出すことが可能となる。

また、上記のような特徴を有する半導体基板熱処理装置において前記温度制御部は、記憶部を備え、前記記憶部には、予備テストにより求めた前記温度勾配に基づく前記誘導加熱コイルへの投入電力のバランスと、熱処理開始後の経過時間を記憶し、熱処理開始後の経過時間に応じた前記投入電力のバランスに従って、前記誘導加熱コイルに対する投入電力を定めるものであっても良い。

このような特徴を有することにより、実際の温度勾配を考慮した誘導加熱コイルへの投入電力を定めることができる。このため、量産性のロットに対して高精度な温度分布制御を実施することが可能となる。

上記のような特徴を有する半導体基板熱処理装置によれば、従来よりも温度センサの数を少なくすることができる。また、隣接する加熱ゾーン間における磁束の干渉を考慮した温度分布制御を行うことができ、高精度な均一加熱を実現することができる。

実施形態に係る誘導加熱装置のブロック図である。 線形補間による温度予測の例を示す図である。 線形補間による温度予測に対して電力指令値に基づく補正を加えた温度予測値の例を示す図である。 温度予測値に基づいて各加熱ゾーンへの電力指令値を定める場合の例を示す図である。 従来の枚葉型誘導加熱装置の構成を示す図である。

以下、本発明の半導体基板熱処理装置に係る実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
まず、本発明の半導体基板熱処理装置（以下、単に熱処理装置と称す）に係る実施形態について、図１を参照して説明する。本実施形態に係る熱処理装置１０は少なくとも、誘導加熱コイル１２（１２ａ〜１２ｆ）と、加熱体としてのグラファイト１４、温度センサ、及び電力制御部１８を備え、グラファイト１４上に半導体基板であるウエハ１６を載置する構成としている。なお、以下の実施形態においては前述したように、加熱体としてグラファイト１４を例に挙げて説明するが、本願に適用可能な加熱体はグラファイトに限るものでは無い。グラファイトに代わる加熱体としては例えば、ＳｉＣ、ＳｉＣコートグラファイト、及び耐熱金属などを挙げることができる。

前記誘導加熱コイル１２は、円形（Ｃ型）のコイルであり、全体として見た場合、半径（直径）の異なる複数の円形コイルが同心円上に配置されていることから、いわゆるバウムクーヘン状の体を成す。複数配置された誘導加熱コイル１２には、電力制御部１８が接続されている。

電力制御部１８は、例えば、三相交流電源２６、コンバータ２４、チョッパ２２（２２ａ〜２２ｆ）、インバータ２０（２０ａ〜２０ｆ）、および温度制御部２８を基本として構成される。

コンバータ２４は、三相交流電源２６から入力される三相交流電流を直流に変換して、後段に接続されるチョッパ２２へと出力する純変換部である。
前記チョッパ２２は、コンバータ２４から出力される電流の通流率を変化させ、インバータ２０に入力する電流の電圧を変化させる電圧調整部である。

前記インバータ２０は、チョッパ２２により電圧調整された直流電流を、交流電流へと変換して誘導加熱コイル１２へ供給する逆変換部である。なお、本実施形態で例に挙げる熱処理装置１０のインバータ２０は、誘導加熱コイル１２と共振コンデンサ１９とを直列に配置した直列共振型のインバータとする。また、複数（本実施形態の場合は６つ）の誘導加熱コイル１２にはそれぞれ、個別にインバータ２０、およびチョッパ２２が接続されている。なお、インバータ２０から誘導加熱コイル１２への出力電流の制御は、温度制御部２８からの入力信号に基づいて行うものとする。

温度制御部２８は、詳細を後述する温度センサ３０（３０ａ〜３０ｃ）により検出されたグラファイト１４の温度を比較し、温度検出点間の温度勾配を求め、この温度勾配に基づいて予想（予測）した加熱ゾーン間の温度バランスに応じて、各誘導加熱コイル１２に投入する電力を定め、インバータ２０、およびチョッパ２２に対して制御信号（入力信号）を出力する役割を担う。

上記のような電力制御部１８によれば、コンバータ２４から出力された電流の電圧をチョッパ２２により制御し、チョッパ２２から出力された直流電流をインバータ２０により変換、周波数調整することができる。このため、チョッパ２２により出力電力を制御することができ、インバータ２０により、複数のコイルが隣接して配置された誘導加熱コイル１２へ投入される電流の周波数との位相調整を行うことができる。そして、出力電流における周波数の位相を同期（位相差を０にする事または０に近似させる事）、あるいは定められた間隔に保つことで、隣接配置された誘導加熱コイル１２の間の相互誘導の影響を回避することができる。また、複数の誘導加熱コイル１２のそれぞれに対する投入電力を制御することで、加熱体であるグラファイト１４、さらには加熱対象物であるウエハ１６の温度分布制御を行うことができる。

また、本実施形態に係る誘導加熱コイル１２は、図１に示すように中空構造とされており、内部に冷媒（例えば水）を挿通可能に形成されている。このような構成とすることにより、熱源となるグラファイト１４からの輻射や伝熱を受けて、誘導加熱コイル１２自体が過熱されてしまうことを防止することができる。

本実施形態に係るグラファイト１４は、平板円板状に形成されている。グラファイト１４は、上述した誘導加熱コイル１２によりゾーン毎に加熱されることで発熱する。本実施形態では、誘導加熱コイル１２ａによる加熱ゾーンをゾーン１、誘導加熱コイル１２ｂによる加熱ゾーンをゾーン２、誘導加熱コイル１２ｃによる加熱ゾーンをゾーン３、誘導加熱コイル１２ｄによる加熱ゾーンをゾーン４、誘導加熱コイル１２ｅによる加熱ゾーンをゾーン５、誘導加熱コイル１２ｆによる加熱ゾーンをゾーン６としている。

本実施形態における温度センサ３０は、グラファイト１４の下面側、すなわち誘導加熱コイル１２を配置した面側に備えられ、グラファイト１４の温度を検出する。温度センサ３０の配置形態としてはまず、隣接配置された誘導加熱コイル１２を内側から２つづつ選択する。次に、選択した２つの誘導加熱コイル１２をそれぞれ組とし、組を成す２つの誘導加熱コイル１２（例えば誘導加熱コイル１２ａと誘導加熱コイル１２ｂ）の間に配置位置を定める。さらに詳細な配置位置としては、組を成す２つの誘導加熱コイル１２間の中点位置とすると良い。

このような配置形態とすることにより、複数の温度センサ３０のそれぞれは、組を成す２つの誘導加熱コイル１２による加熱ゾーンの境界点、すなわち２つの誘導加熱コイル１２のそれぞれからの磁束の影響を受けて加熱される部位の温度を検出することとなる。このため、詳細を後述するように各温度センサ３０による検出温度を直線で結び線形補間した際に、各点間を結ぶ直線の傾きから、温度検出点に影響を及ぼす２つの隣接加熱ゾーンの温度勾配を予想（予測）することが可能となる。

上記のような構成の熱処理装置１０ではウエハ１６の熱処理を行う際、次のような制御が成される。まず、複数の誘導加熱コイル１２のそれぞれに対して所定の電力を投入し、グラファイト１４を加熱した後、組を成す誘導加熱コイル１２の間に配置された温度センサ３０のそれぞれによりグラファイト１４の温度を検出し、温度制御部２８に送信する。温度制御部２８ではまず、検出点（本実施形態の場合３点）の温度から各加熱ゾーンにおけるグラファイト１４の温度を推測する線形補間を実施する。ここで線形補間とは、図２に示すように、検出点の温度を直線で結び、その直線上に各加熱ゾーンの位置関係を結びつける（直線上に加熱ゾーンの位置をプロットする）ことにより、直線上のプロット点における温度を、各加熱ゾーンの温度と推測するものである。

次に温度制御部２８では、線形補間により得られた推測温度と、現在各誘導加熱コイル１２に対して投入している電力値（指令値）を関連付けることで、線形補間により得られた推測温度を補正する（図３参照）。具体的には、現在の指令値が、ゾーン１＜ゾーン２であれば、ゾーン２の温度が高めと推測することができる。このため、ゾーン１を低め、ゾーン２を高めに補正するといったものであれば良い。このような補正を行うことにより、各加熱ゾーン間の温度バランスを考慮した温度予測値を得ることができる。また補正に関しては、ゾーン１を加熱する誘導加熱コイル１２ａに与えている指令値と、ゾーン２を加熱する誘導加熱コイル１２ｂに与えている指令値の比率（ゾーン１／ゾーン２又はゾーン２／ゾーン１）から導き出せる傾きを、線形補間によって得られた検出点に重ね合わせる。そして、重ね合わせによって得られた断続的な直線をそれぞれ直線で繋ぐことにより、各加熱ゾーン間の温度バランスを考慮した温度予測値を得るというものであっても良い。ここで温度予測値を得る補正は、装置ごとの特性に応じて試験もしくはシミュレーションを行うことにより、その結果に合わせた補正を行うことが好適である。

このようにして得られた温度予測値に対して温度制御部２８は、温度勾配（加熱ゾーン間を結ぶ直線の傾き）が無くなるような加熱（温度補正）を行う電力指令値を算出する（図４参照）。ここで電力指令値の算出は、装置ごとの特性に応じて試験もしくはシミュレーションを行うことにより、シミュレーション等の結果に合わせた算出方法が採られる。

なお、大まかな温度補正としては、温度予測値によって得られる傾きと反対の傾きを持つ（図４に示す折れ線グラフの上下を反転させた傾き）グラフに応じた比率の電力指令値を各加熱ゾーンへの温度補正値とすれば良い。

このようにして得られた電力指令値を各誘導加熱コイル１２に接続されたインバータ２０、およびチョッパ２２に出力することで、各誘導加熱コイル１２に対する投入電力が制御される。

このような構成、および電力制御が成される熱処理装置１０によれば、温度を検出する温度センサ３０の数を従来よりも少なくした場合であっても、隣接する加熱ゾーン間における磁束の干渉を考慮した温度検出（温度予測）を行うことが可能となる。このため、従来に比べて装置コストを抑えた上で、高精度な温度分布制御を行うことが可能となる。なお、熱処理開始直後、すなわちグラファイト１４が加熱されていない状態における電力制御は、プリセットで行うようにすれば良い。具体的には、予め、熱電対付ウエハ１６やグラファイト１４などを用いて加熱試験を行うことで、グラファイト１４やウエハ１６の面内温度が均一に昇温されるであろう電力指令値を得る。そして、このようにした電力指令値をプリセット値として、電力制御部１８に、温度制御部２８からの指令値として与えるようにすれば良い。

また、上記のような構成の熱処理装置１０は、次のような構成としても良い。すなわち、温度制御部２８に図示しないメモリ（記憶部）を備える構成とするのである。そして、熱処理装置１０は、上述したような温度センサ３０による検出点間の温度勾配に基づく各誘導加熱コイル１２に対する投入電力のバランスを求める予備テストを行い、温度制御部２８のメモリにその結果を記憶させる。各誘導加熱コイル１２に対する投入電力のバランスは、熱処理装置１０による熱処理開始後から、その経過時間と共に記憶し、メモリには各経過時間毎に対応付けられた投入電力が記憶されることとなる。

温度制御部２８は実際の熱処理が開始された後、熱処理開始からの経過時間毎にメモリに記憶された投入電力のバランスに応じた制御信号を各インバータ２０や各チョッパ２２に出力する。

このような構成とし、上記のような電力制御を行った場合であっても、上述した熱処理装置１０と同様な効果を得ることができる。なお、上記のような電力制御を行う場合、グラファイト１４の熱伝導率と熱伝導時間を勘案することにより、熱処理経過時間のスパンを広げたり縮めたりすることで、急速昇温や低速昇温に対応させることも可能となる。

１０………熱処理装置（半導体基板熱処理装置）、１２（１２ａ〜１２ｅ）………誘導加熱コイル、１４………グラファイト、１６………ウエハ、１８………電力制御部、２０（２０ａ〜２０ｅ）………インバータ、２２（２２ａ〜２２ｅ）………チョッパ、２４………コンバータ、２６………三相交流電源、２８………温度制御部、３０………温度センサ。

Claims (3)

1. 同心円上に配置された複数の誘導加熱コイルと、複数の前記誘導加熱コイルのそれぞれに接続されて、各誘導加熱コイルに対する投入電力を制御するインバータと、複数の前記誘導加熱コイルにより構成される面上に配置される加熱体とを有して前記加熱体に載置された半導体基板を加熱する半導体基板熱処理装置であって、
   複数の前記誘導加熱コイルから、隣接配置された２つの誘導加熱コイルをそれぞれ組として選択し、選択した組を成す２つの前記誘導加熱コイル間で加熱される前記加熱体を温度検出点としてそれぞれ温度の検出を行う複数の温度センサと、
   複数の前記温度センサにより検出された前記温度検出点間の温度から温度勾配を導き出し、当該温度勾配に基づいて、複数の前記誘導加熱コイルのそれぞれに投入する電力を定める温度制御部とを備えることを特徴とする半導体基板熱処理装置。
2. 前記温度制御部は、隣接配置された温度センサにより検出された温度を比較することにより、前記温度検出点間の温度勾配を求め、
   前記温度検出点間の温度勾配に基づいて、前記組を成す２つの誘導加熱コイルへの投入電力に基づいて、前記組を成す２つの誘導加熱コイルによる加熱ゾーンそれぞれの温度バランスを予測し、
   予測した前記加熱ゾーンの温度バランスに応じて、前記温度勾配を補正し、補正後の温度勾配に基づいて、前記誘導加熱コイルに対する投入電力を定めることを特徴とする請求項１に記載の半導体基板熱処理装置。
3. 前記温度制御部は、記憶部を備え、
   前記記憶部には、予備テストにより求めた前記温度勾配に基づく前記誘導加熱コイルへの投入電力のバランスと、熱処理開始後の経過時間を記憶し、
   熱処理開始後の経過時間に応じた前記投入電力のバランスに従って、前記誘導加熱コイルに対する投入電力を定めることを特徴とする請求項１に記載の半導体基板熱処理装置。

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