JPH0630027B2

JPH0630027B2 - 半導体基板の熱処理装置における温度制御方法および温度制御装置

Info

Publication number: JPH0630027B2
Application number: JP61002549A
Authority: JP
Inventors: 秀行寺岡; 隆俊千葉
Original assignee: Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1986-01-08
Filing date: 1986-01-08
Publication date: 1994-04-20
Anticipated expiration: 2009-04-20
Also published as: JPS62160512A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）この発明は半導体基板（以下、「ウエハ」と言う。）を
加熱する熱処理装置においてウエハの温度を所定の目標
温度とするための温度制御方法および温度制御装置に関
する。

（従来の技術とその問題点）半導体装置の製造工程においては、イオン注入層の組成
の均一化やシリコン膜の安定化、それにオーミックコン
タクトの形成などの種々の目的でウエハの熱処理が行な
われる。そして、このような熱処理では、あらかじめ設
定された目標温度変化曲線に沿って急速かつ均一にウエ
ハを加熱し、ウエハの温度が目標とする熱処理温度に達
した後には、その温度を精度良く保つ必要がある。

このため、ウエハなどの熱処理においては、強力なハロ
ゲンランプなどの放射熱源を備える加熱炉を用いるとと
もに、加熱炉内の温度を検出してこの検出温度と目標温
度値との偏差を求め、この偏差に応じて、上記放射熱源
への電力供給量を修正するフィードバック制御が行なわ
れている。

第７図はこのような従来の温度制御方法を採用した熱処
理装置を例示するブロック図である。同図において、熱
処理の対象となるウエハ１は、複数の放射熱源２を両面
に配列した加熱炉３内に搬入されて、ウエハ支持機構４
によって支持されている。

一方、目標温度設定器１０には、第８図に示すような台
形の目標温度変化曲線Ｆ_１（Ｔ_Ｏ）が、時間ｔの関数と
して設定してある。ただし、この第８図において、温度
は絶対温度［Ｋ］であり、Ｔ_Ｐは定常処理温度である。
そして、第７図の目標温度設定器１０から上記目標温度
変化曲線Ｆ_１（Ｔ_Ｏ）に応じて出力される目標温度信号
Ｔ_Ｏは、加熱炉３内の温度検出器５（たとえば熱電対）
によって検出された加熱炉３内の実測温度信号Ｔ_ｒとと
もに、減算器１１に与えられる。

この減算器１１では、上記Ｔ_ＯとＴ_ｒとの偏差： △Ｔ＝Ｔ_Ｏ−Ｔ_ｒ …(1) を求め、この偏差信号△ＴをＰＩＤ制御系１２内の乗算
器１３〜１５に出力する。このうち、乗算器１３では偏
差△Ｔに定数Ｋ_１を乗算して偏差比例信号Ｓ_Ｐを与え
る。また、乗算器１４では偏差ΔＴに定数Ｋ_２を乗算
し、次段の積分器１６でこれを時間積分することによっ
て、偏差積分信号Ｓ_Ｉを与える。さらに、乗算器１５で
は偏差△Ｔに定数Ｋ_３を乗算し、次段の微分器１７でこ
れを時間微分して偏差微分信号Ｓ_Ｄを与える。そして、
これらの信号Ｓ_Ｐ，Ｓ_Ｉ，Ｓ_Ｄが加算器１８によって加
算されて温度制御信号Ｓ_Ｔとなる。

この温度制御信号Ｓ_Ｔは、放射熱源２に電力Ｐを供給す
るための電力供給ユニット１９に与えられる。この電力
供給ユニット１９では、電力制御器２１が上記温度制御
信号Ｓ_Ｔを入力して、電源２０から放射熱源２に与える
電力Ｐを、この温度制御信号Ｓ_Ｔに比例させるように制
御する。したがって、このような従来装置では、温度制
御信号Ｓ_Ｔそれ自身が電力制御信号として機能する。

このようにして、放射熱源２からの放射エネルギーは偏
差△Ｔに応じて増減し、ウエハ１は目標温度変化曲線Ｆ
_１（Ｔ_Ｏ）に沿った温度制御を受けることになる。

ところが、このような従来の温度制御においては、目標
温度の急速な立上りに対して、加熱炉内の温度が十分に
追随できないという問題がある。この問題をより具体的
に見るために第９図を参照する。この第９図は第８図の
前半部分を拡大し、加熱炉３内の実測温度Ｔ_ｒと供給電
力Ｐとのそれぞれの時間変化曲線Ｆ_２（Ｔ_ｒ），Ｆ
_３（Ｐ）を重ねて描いた図である。この図からわかるよ
うに、目標温度が急速に立上っているとき（たとえば数
秒間で２００℃〜３００℃から１０００℃以上にまで加
熱炉３内を急速に昇温させる場合）には、加熱炉３内の
実際の温度Ｔ_ｒが定常処理温度Ｔ_Ｐと等しくなり安定す
る迄にかなりの時間を要するため、所望の熱処理を精度
良く実現することは困難となっている。

一方、これを改善する目的でフィードバックのゲインに
相当する諸定数（Ｋ_１，Ｋ_２，Ｋ_３）を大きくすると、
昇温過程から定常の処理温度維持過程へと移行する時点
ｔ_１付近において、オーバーシュートやハンチングが生
じてしまうため、このような方法では上記問題の十分な
解決にはならないことになる。

（発明の目的）この発明は従来技術における上述の問題点の克服を意図
しており、半導体基板を加熱する熱処理装置において半
導体基板の温度を、目標温度値の変化に高精度かつ高速
で応答させることのできる温度制御方法および温度制御
装置を提供することを目的とする。

（目的を達成するための手段）上述の目標を達成するため、この発明は、電力供給手段
から与えられる電力によって放射エネルギーを発生し、
前記放射エネルギーによって半導体基板を加熱する熱処
理装置において前記半導体基板の温度を所定の目標温度
とするための温度制御方法において、前記放射加熱手段の放射エネルギーと前記半導体基板の
温度との関係に基いて、前記放射加熱手段への供給電力
と前記半導体基板の温度との対応関係に応じた変換規則
をあらかじめ求めておき、前記目標温度に基づくフィードフォワード制御系を設け
るとともに、前記フィードフォワード制御系によって得
られる温度制御信号を、前記変換規則によって電力制御
信号に変換し、前記電力制御信号に応じて、前記電力供
給手段から前記放射加熱手段への電力供給量を制御す
る。

すなわち、従来では、半導体基板の温度θと供給電力Ｐ
との間の関係を詳細に検討することなく、温度偏差△Ｔ
にＰＩＤ処理を施して得られる温度制御信号をそのまま
電力制御信号として電力供給手段に入力させており、電
力供給手段では、この入力に比例した電力を放射熱源
（放射加熱手段）に与えていた。ところが、半導体基板
の熱的平衡状態温度と供給電力とは一般に比例しないた
めに、従来では半導体基板（ウエハ）温度が温度制御信
号に比例せず、上述のような問題が生じていたことに着
目する。

そして、この発明では、放射熱源の放射エネルギーＩと
半導体基板の熱的平衡状態あるいは熱的非平衡状態での
温度θとの関係に基いて、供給電力Ｐと半導体基板の温
度θとの関係：Ｐ＝ｆ（θ） …(2) を関数式または数値データとしてあらかじめ求めてお
き、この関数に基いて温度制御信号を電力制御信号に変
換して温度制御を行なうわけである。ただし、半導体基
板の温度θは、それ自体を直接に知ることは必須ではな
く、密閉された加熱炉などを用いる場合には炉内温度な
どから間接的または近似的に求めてもよい。

また、この発明ではフィードフォワード制御を用いて上
記温度制御を実現する。それは(2)式の関係をあらかじ
め知っておくことによって、制御対象の応答特性が比較
的良く理解できているため、伝達遅れによる誤差の少な
いフィードフォワード制御が適しているからである。も
っとも、フィードバック制御をあわせて行なうことによ
り、さらに制御特性は改善される。そのような例は、後
述する実施例中で説明する。

（実施例）Ａ．実施例の原理この発明の実施例の具体的構成と動作とを説明する前
に、その制御原理を、上述したウエハの熱処理を例にと
って説明する。そのためには(2)式を具体的な形で知る
必要があるため、まず、この式を求めておく。

第２図（Ａ）は第７図において説明した加熱炉３の内部
模式図である。この第２図（Ａ）において、放射熱源２
からウエハ１への単位面積あたりの照射強度を表裏あわ
せてＩとし、ウエハ１の温度をθ［Ｋ］とする。また、
ウエハ１についての諸量を第２図（Ｂ）に示すように、
次のように定義する。

Ｓ…片面の表面積ｄ…厚さｃ…比熱 ρ…密度 ε…放射率また、ウエハ１に照射された放射エネルギーはすべてウ
エハ１に吸収されるものとする。すると、微小時間△ｔ
内に放射熱源２からウエハ１に与えられる熱量は表裏両
面で（εＳＩ△ｔ）であり、一方、この間に、ウエハ１
から放射によって失われて行く熱量は、Ｕを温度θ
［Ｋ］の黒体の単位面積あたりの放射エネルギーとし
て、（２εＳＵ△ｔ）となる。

したがって、差引き： △Ｑ＝εＳ（Ｉ−２Ｕ）△ｔ …(3) だけの熱量がウエハ１に蓄えられる。

この熱量△Ｑによって、ウエハ１の温度が△θだけ上昇
したとすれば、このウエハ１の熱容量が（ρｃｄＳ）で
あることから（ρｃｄＳ）△θ＝εＳ（Ｉ−２Ｕ）△ｔ …(4) が成立する。

したがって、△ｔ→０の極限では、微分式として、が成立する。

ところが、黒体の放射エネルギーＵは、周知のステファ
ン・ボルツマンの法則によって、その温度θの４乗に比
例する。

Ｕ＝σθ^４ …(6) ただし、σは定数であって、ボルツマン定数Ｋ_Ｂ、高速
ｃ_ｌおよびプランク定数ｈを用いて、 σ＝２π^５Ｋ_Ｂ ^４／及び15ｃ_ｌ ^２ｈ^３ …(7) で与えられる。また、放射熱源２における放射エネルギ
ー強度Ｉと供給電力Ｐとの比、すなわち放射効率をγと
すれば、Ｉ＝γＰ …(8) が成立する。

したがって、(5)，(6)，(8)式によって、が成立する。この(9)式が、この実施例において(2)式を
具体化した式である。

この(9)式によれば、ウエハ１の温度θを目標温度Ｔ_Ｏ
に一致させるためには、(9)式の右辺でθ＝Ｔ_Ｏとして
得られるだけの電力Ｐを放射熱源２に与えねばならない
ことになる。したがって、制御回路もまた、(9)式に従
って構成する。

なお、(9)式はいくつかの近似の下に得られた式であっ
て、実際には、たとえば、のような付加的な項ｇが存在することもある。このよう
な項ｇは、たとえば放射熱源のフィラメント（抵抗体）
自体の熱容量や加熱炉外への熱の散逸によって生ずる
が、これらの取扱いについては、後述する。

Ｂ．第１の実施例第１Ａ図は、この発明の第１の実施例である温度制御装
置を用いたウエハの熱処理装置のブロック図である。そ
して、この実施例は、フィードフォワード制御系ＦＦ_１
と、フィードバック制御系ＦＢ_１とを組合せた制御装置
として構成されている。第１Ａ図において、目標温度設
定器１０には、第７図の従来装置と同様に、第８図に示
す目標温度変化曲線があらかじめ設定してある。この目
標温度設定器１０からの目標温度信号Ｔ_Ｏは、加熱炉３
内のウエハ１の表面に設けられた温度検出器５からの実
測温度信号Ｔ_ｒとともに減算器３１に入力し、ここでフ
ィードバック制御のための偏差信号△Ｔ： △Ｔ＝Ｔ_Ｏ−Ｔ_ｒ …(11) となる。この部分は従来装置と同様である。

このようにして得られた偏差信号△Ｔは、乗算器３２〜
３４に入力されて、それぞれＫ_Ｐ，Ｋ_Ｉ，Ｋ_ｄ倍され
る。これらのうち、乗算器３２での乗算出力は、ＰＩＤ
制御における比例制御部分に相当する。また、乗算器３
３での乗算出力は積分器３５で積分されて積分制御出力
となる。そして、これらは、加算器３６において加算さ
れる。

一方、乗算器３４でのＫ_ｄの乗算は、従来の微分制御出
力を得る前段階としてのゲインの乗算に相当するが、こ
の乗算器３４の出力は、従来装置のように加算器３６で
加算されることなく、フィードフォワード制御系ＦＦ_１
側に与えられている。それは、(9)式からわかるよう
に、温度の時間微分（ｄθ／ｄｔ）が供給電力Ｐを表現
する式の中に、θ^４の項とは別の項として入っているた
めに、これに対応する（ｄＴ_Ｏ／ｄｔ）のみを分離して
取扱うことが望ましいからである。

また、目標温度設定器１０からの目標温度信号Ｔ_Ｏは、
フィードフォワード制御系ＦＦ_１内の２つの乗算器３
７，３８にも与えられる。このうち、乗算器３８では、
この目標温度信号Ｔ_ＯにゲインＪ_Ｐが乗算される。この
ようにして得られた信号は加算器３９に与えられ、この
加算器３９において、フィードバック制御系ＦＢ_１から
のフィードバック出力Ｓ_Ｆが加算される。したがって、
この加算器３９の出力Ｓ_１は、フィードフォワード制御
の基礎となる目標温度信号Ｔ_Ｏを、温度偏差△Ｔに応じ
たフィードバック信号Ｓ_Ｆによって補正した信号となっ
ている。

この信号Ｓ_１は、定数設定器４１から与えられる所定の
定数αが加算された後、４乗回路４０で４乗演算され
る。そして、他の定数設定器４２からの定数βが差引か
れて信号Ｓ_２となり、加算器４４に入る。なお、これら
の定数α，βの意味は後述する。

一方、乗算器３７では、目標温度信号Ｔ_ＯにＪ_ｄが乗算
される。そして、フィードバック制御系ＦＢ_１内の乗算
器３４からの信号（Ｋ_ｄ△Ｔ）が加えられた後、微分器
４３で微分される。そして、この微分信号Ｓ_３は、上記
４乗器４０からの出力Ｓ_２と加算器４４で加算されて信
号Ｓ_４となり、後述する回路を介して、電力供給ユニッ
ト６０へと与えられる。

ところで、上記４乗演算の段階が、この発明の主たる特
徴に対応しており、これによって、目標温度の値Ｔ_Ｏに
基づいて得られる「温度制御信号」の一部としての信号
Ｓ_１をそのまま「電力制御信号」とすることなく、放射
熱源への供給電力と半導体基板（ウエハ）温度との対応
関係を考慮して、より適切な「電力制御信号」Ｓ_２へと
変換しているのである。

このように、目標温度Ｔ_Ｏを偏差△Ｔに応じて補正した
値を４乗して得られる信号Ｓ_２と、目標温度Ｔ_Ｏに同様
の補正を施した後に時間微分した信号Ｓ_３とを加算して
信号Ｓ_４とし、それを電力供給ユニット６０側へ与える
ことによって、(9)式で示される電力Ｐを供給する回路
が実現される。このように、一度、適切な電力制御信号
に変換しておくことによって、半導体基板（ウエハ）温
度は目標温度信号Ｔ_Ｏに比例するようになる。

ここで、上述した定数α，βの意味を説明しておく。上
記温度設定器１０から出力される目標温度Ｔ_Ｏは絶対温
度として与えられており、Ｔ_Ｏ≧０［Ｋ］の範囲内の任
意の温度を設定可能である。また、４乗器４０における
４乗処理は、上述のようにステファン・ボルツマンの法
則を基礎として行なっているものであって、この法則も
やはり０［Ｋ］から成立している。このため、上記４乗
処理は、加熱炉３内が当初０［Ｋ］となっている状態か
ら加熱して行く場合に適合したものである。したがっ
て、目標温度Ｔ_Ｏに対して４乗処理を行ない、その信号
を電力供給ユニット６０側にそのまま与えた場合には、
加熱炉３内が当初０［Ｋ］となっているものと想定され
た状況下で電力が放射加熱源２に与えられる。

ところが、ウエハの通常の熱処理では、炉内温度は当初
から１００℃〜４００℃（以下、Ｔ_ｎと書く。）程度に
維持されている。このため、０〜Ｔ_ｎ［Ｋ］の間の温度
上昇を行なわせるための加熱は本来不要であって、実質
的にはＴ_ｎ以上の温度へと昇温させるための電力を与え
ることが必要である。

そこで、この実施例では、４乗処理によって、目標温度
値Ｔ_Ｏと供給電力Ｐとの関係をステファン・ボルツマン
の法則に応じて修正するだけでなく、４乗器４０におけ
る４乗処理の原点を移動させることによって、上記の状
況に対応する。すなわち、上述したように、加算器３９
の出力に、定数設定器４１からの出力である定数αを加
えた後に４乗処理を行ない、その後、他の定数設定器４
２からの出力である定数βを差引いて出力する。

すると、これらの定数α，βの加算器がない場合には、
これらの回路部分の入出力Ｓ_１，Ｓ_２の間にはＳ_２＝（Ｓ_１）^４ …(12) の関係があるが、上記α，βの加減算を行なうと、Ｓ_２＝（Ｓ_１＋α）^４−β …(13) となる。

したがって、上記加減算によって、４乗処理の原点が
（α，β）へと移動したことになり、これらの定数α，
βを適当に定めることによって、熱処理の出発点の温度
が０［Ｋ］でないことに対する補正が可能となる。

具体的には、たとえば上記αとして室温［Ｋ］の値を用
い、βとしては、そのαを与えるために必要な電力制御
信号Ｓ_２の値を使用する。このようにして、実際の温度
制御範囲に適合した制御回路が実現できる。

このようにして得られた電力制御信号Ｓ_４は、データメ
モリ４６に記憶されるとともに、スイッチ４５を介して
放射熱源補正回路５０に与えられる。この放射熱源補正
回路５０は、目標温度Ｔ_Ｏが変化する際に、放射熱源２
内部の放射体（抵抗体）それ自身を加熱するために要す
る電力を考慮して、放射熱源２に与える電力Ｐを補正す
るための回路であり、この詳細は第１Ｂ図に示されてい
る。そして、この放射熱源補正回路５０の内部回路およ
び以降の回路は、放射熱源２を構成する複数の単位放射
熱源２ａ，…，２ｎのそれぞれに対応して複数組設けら
れている。それは、加熱炉３の内部において、実際にウ
エハ１に対向している単位放射熱源と他の単位放射熱源
とでは、ウエハ１への熱的影響が異なることを考慮した
ためである。

そこで、放射熱源補正回路５０に含まれるｎ個の単位補
正回路５０ａ，…のうち、Ｋ番目の単位補正回路５０Ｋ
について説明する。この単位補正回路５０Ｋに対応する
単位放射熱源２Ｋの抵抗体の熱容量をＣ_ｄとし、その温
度をθとすると、この抵抗体に温度変化を与えるために
要する電力は、と書ける。

したがって、上記補正量を考慮すれば、(9)式の電力Ｐ
のうち単位放射熱源２Ｋに割当てられる電力Ｐ_Ｋに上記
(14)式を付加して、で表わされる電力Ｐ′_Ｋを、この単位放射熱源２Ｋに供
給すれば、応答性の向上が一層図られることになる。こ
れは(10)式中にｇで示した付加項の一例に相当する。但
し定数Ｌ_Ｋは単位放射熱源ごとに異なる値をとり、その
理由は、上述のようにウエハ１との対向関係や、加熱炉
３内の幾何学的形状などに起因する。

ところで、既に述べたように、温度θの物体が放射する
エネルギーは、ステファン・ボルツマンの法則（(6)
式）によって与えられる。このため、放射エネルギーが
電力Ｐに比例するものとすれば、この(6)式に相当する
式をθについて解くことによって、(15)式の右辺第２項
は、に比例することになる。このため、実験的に最適値とな
るように決定された係数をＺ_Ｋ，Ｑ_ｄとすれば、単位補
正回路５０Ｋでは、その入力：Ｓ_Ｋ＝Ｓ_４（Ｚ_Ｋ／〈Ｚ〉） …(17) に対して、を演算すればよい。ただし、これらの式において、係数
Ｚ_Ｋは電力分配係数（％）である。また、〈Ｚ〉はＺ_ａ
〜Ｚ_ｎの平均値であって、規格化の目的で入れてある定
数である。

第１Ｂ図の単位補正回路５０Ｋはこのような原理に従っ
て構成されており、入力Ｓ_４は、乗算器５１ＫでＺ_Ｋ倍
された後、１／〈Ｚ〉が乗算器５２Ｋで乗算される。そ
して、その出力Ｓ_Ｋは４乗根回路５３Ｋに与えられて４
乗根とされ、微分器５４Ｋで微分された後に、乗算器５５Ｋ
で係数Ｑ_ｄが乗じられる。そして、この値は乗算器５２
Ｋの出力と加算されて、第１Ａ図の電力供給ユニット６
０内の電力制御器６１Ｋに、電力制御信号Ａ_Ｋとして与
えられる。第１Ｂ図の他の単位補正回路５０ａ，…，５
０ｎについても同様である。

このようにして、第１Ａ図の電力制御器６１ａ〜６１ｎ
では、入力される電力制御信号Ａ_ａ，…，Ａｎに応じ
て、電源６２からの電力Ｐ_ａ，…，Ｐｎ（ただし、Ｐ_ａ
＋…＋Ｐ_ｎ＝Ｐ）を、放射熱源２ａ，…，２ｎにそれぞ
れ与えて、ウエハ１を加熱する。

ところで、この実施例では、ウエハ１上に接触式の温度
検出器５を設けるようにしているため、上記の制御ルー
プを動作させつつ、製品用のウエハの熱処理を行なうこ
とはできない。そこで、この実施例では、ウエハ１とし
てはダミーウエハを使用して、上述のような温度検出器
５を設け、所望の熱処理を試験的に行なう。それによっ
て、種々の定数として最適値を決定するとともに、その
ときの電力制御信号値を上記データメモリ４６に記憶さ
せておく。

その後、温度検出器５を設けていない製品用のウエハの
熱処理を行なう際には、スイッチ４５を切換えてデータ
メモリ４６から電力制御信号値のデータを読出し、この
データを電力制御器６１ａ〜６１ｎ側へ与えることによ
って温度制御を行なっている。

ただし、非接触式の温度検出器を用いるときには上記の
ような問題はなく、製品用のウエハの熱処理を行なう際
にも、制御ループを動作させることができる。

Ｃ．第２の実施例第３図はこの発明の第２の実施例を示すブロック図であ
る。この実施例が第１の実施例と異なる点は、第１に、
フィードフォワード制御系ＦＦ_２内の乗算器３８におい
て定数Ｊ_Ｐの乗算を受けた目標温度Ｊ_ｐＴ_Ｏを４乗器４
０で４乗し、その後に、フィードバック制御系ＦＢ_２か
らのＰＩＤフィードバック信号Ｓ_Ｅと加え合わせている
ことである。つまり、フィードフォワード制御信号を一
般にｘとし、フィードバック信号をｙとしたとき、第１
の実施例では、（ｘ＋ｙ）^４の形の演算が行なわれるの
に対し、この第２の実施例では（ｘ^４＋ｙ）の形の演算
が行なわれる。もちろん双方は異なる制御信号を与える
が、この発明によれば、制御系の応答性が高まるため
に、ｙよりはｘの方が主要なファクタとなっており、
（ｘ＋ｙ）^４と（ｘ^４＋ｙ）との差は比較的小さいもの
となる。このため、この第２の実施例でも所望の効果は
得られる。

また、ＰＩＤ制御系のうちの微分制御部分（乗算器３
４）の出力は、第１の実施例のようにフィードフォワー
ド制御系ＦＦ_２側へは与えずに、微分器７１で微分した
後にフィードバック制御系ＦＢ_２内の加算器７２におい
て、比例／積分制御出力と加算している。そして、フィ
ードフォワード制御系ＦＦ_２内では、乗算器３７の出力
をそのまま微分器４３で微分している。しかしながら、
これらはいずれも最終的に加算されるものであり、第１
Ａ図と比較することによってわかるように、加算と微分
の順序が入換っているだけであるため、本質的な相違は
ない。

Ｄ．第３の実施例第４図は第３の実施例である。この実施例では、ＰＩＤ
制御系の微分制御部分（乗算器３４および微分器７１）
の出力が、フィードバック制御系ＦＢ_３の加算器７２に
おいて、比例／積分制御出力と加算されているなどの点
で第２の実施例と同様の構成となっている。ただし、４
乗器４０における４乗処理をフィードフォワード制御系
ＦＦ_３内の乗算器３８の出力と、フィードバック制御系
ＦＢ_３の制御出力Ｓ_Ｅとの和に対して行なっている点で
は、第１の実施例との共通の構成となっている。

このため、この第３の実施例は、上記第１と第２の実施
例の折衷的構成となっていることになる。第２と第３の
実施例の利点は、従来のＰＩＤ制御ユニットをそのまま
利用できる点にある。

Ｅ．データ例第５Ａ図および第５Ｂ図は、それぞれ第１および第２の
実施例について、従来装置についての第９図と同様の温
度と電力との実測値を示すグラフである。これらの図と
第９図とを比較するとわかるように、上記各実施例で
は、半導体基板温度曲線Ｆ_２（Ｔ_ｒ）が、目標温度変化
曲線Ｆ_１（Ｔ_Ｏ）に対して、精度良くかつ高速の応答性
を持って追随していることがわかる。特に第５Ａ図（第
１の実施例）では、目標温度の変化に対してほとんど誤
差なく追随が行なわれている。定常処理温度Ｔ_ｐに至る
時期ｔ_１でのハンチングや、ｔ_１以後の温度の動揺もほ
とんどない。

第６Ａ図および第６Ｂ図はそれぞれ、目標温度変化曲線
Ｆ_１（Ｔ_Ｏ）を２段に変化する曲線としたときの、第１
と第２の実施例についての同様の実測グラフである。こ
れらの図からも、この発明における制御の的確性が理解
できる。

Ｆ．変形例以上、この発明の実施例ついて説明したが、この発明は
上記各実施例に限定されるものではなく、たとえば次の
ような変形も可能である。

上記実施例ではステファン・ボルツマンの法則をその
まま利用して、供給電力と半導体基板温度との関係を求
めているが、この関係は状況によって種々変形すること
もできる。そのひとつは、このステファン・ボルツマン
の法則が温度と全放射エネルギーとの関係を表現した法
則であることに起因する。つまり、半導体基板の吸収ス
ペクトル分布によっては、特定の波長帯のみの吸収や放
射が問題となる場合があるため、このようなときには、
特定の波長のみに着目したときの放射エネルギーを求め
るプランクの放射法則なども考慮して変換規則を変形す
れば、より高い制御性能が得られることになる。

他の変形要因としては、たとえば加熱炉内の雰囲気の影
響や炉の外部への熱の散逸などがある。この発明は密閉
された加熱炉内での半導体基板の温度制御のみならず、
外部に開放された場所に置かれた半導体基板を加熱する
場合などにも適用できるが、この場合には、これらのフ
ァクタを考慮した変形も可能である。

上記実施例では、電力制御器６１ａ〜６１ｎの入力値
Ａ_ａ〜Ａ_ｎと出力電力Ｐ_ａ〜Ｐ_ｎとは、それぞれ比例関
係（線形特性）にあるものとしている。しかしながら、
電力供給ユニットの構成としては、電力制御値Ａと供給
電力Ｐとの関係は、電力Ｐが電力制御値ＡのＭ乗（Ｍは
整数）となるような特性とすることもできる。したがっ
て、この場合には、４乗器のかわりにＮ乗器を使用す
る。ただし、Ｎは、Ｎ×Ｍ＝４を満足する整数である。

また、４乗処理を行なうにあたっては、４乗器（演算
器）ではなく、変換データをあらかじめ与えておいたル
ックアップテーブル方式のメモリを使用してもよい。さ
らに、制御すべき対象によっては、４乗以外の累乗処理
や、多項式変換処理などを用いるという変形も可能であ
る。

上記実施例では、ウエハのような固体物質を単に加熱
するだけであるが、固体を加熱して融解させるような処
理の場合には融解熱などの存在も考慮して、融解点での
供給電力を大きくするなどの変形も可能である。

この発明は、上記ハロゲンランプのような光領域の電
磁波の放射熱源のみならず、たとえば半導体基板をマイ
クロ波で加熱するような場合においても適用できる。こ
の場合には、マイクロ波発振器への供給電力と半導体基
板の温度との関係を求めておき、これに基いて制御系を
構成する。

上記実施例では、フィードバック制御をあわせて行な
って精度を向上させているが、この発明において必須な
のはフィードフォワード制御であって、フィードバック
制御を必ずしも用いる必要はない。また上記実施例に於
いてフィードフォワードの比例係数Ｊ_Ｐ以外の係数即ち
Ｊ_ｄ，Ｋ_Ｐ，Ｋ_Ｉ，Ｋ_ｄ，の値は、その必要に応じて零
とすることも可能である。

この発明は、半導体基板の熱処理のみだけでなく、他
の処理（たとえば化学処理）のために使用される半導体
基板の温度維持（たとえば恒温容器内温度制御）などに
も利用可能である。

実施例回路を高速計算機で実現してもよいのは言うま
でもない。

（発明の効果）以上説明したように、この発明によれば、放射加熱手段
の放射エネルギーと半導体基板の温度との関係に基い
て、放射加熱手段への供給電力と前記半導体基板の温度
との対応関係をあらかじめ求めておき、フィードフォワ
ード制御系によって得られる温度制御信号を、上記対応
関係に応じた変換規則によって電力制御信号に変換して
上記放射加熱手段への電力供給量を制御しているため
の、半導体基板の温度を、目標温度の変化に高精度かつ
高速で応答させることのできる温度制御方法および装置
を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図および第１Ｂ図はこの発明の第１の実施例を用
いたウエハの熱処理装置ブロック図、第２図はこの発明の原理を説明するための加熱炉内模式
図、第３図および第４図はそれぞれこの発明の第２および第
３の実施例を用いたウエハの熱処理装置ブロック図、第５Ａ図，第５Ｂ図，第６Ａ図および第６Ｂ図はこの発
明の実施例における実測データを示す図、第７図は従来のウエハの熱処理装置の例を示すブロック
図第８図は目標温度変化曲線の例を示す図、第９図は第７図の装置の特性を示すグラフである。１…ウエハ（半導体基板）、２…放射熱源、３…加熱炉、５…温度検出器、１０…目標温度設定器、４０…４乗器、６０…電力供給ユニット、Ｔ_Ｏ…目標温度、Ｔ_ｒ…半導体基板温度、Ｐ…供給電力

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電力供給手段から与えられる電力によって
放射エネルギーを発生し、前記放射エネルギーによって
半導体基板を加熱する熱処理装置において前記半導体基
板の温度を所定の目標温度とするための温度制御方法で
あって、前記放射加熱手段の放射エネルギーと前記半導体基板の
温度との関係に基いて、前記放射加熱手段への供給電力
と前記半導体基板の温度との対応関係に応じた変換規則
をあらかじめ求めておき、前記目標温度に基づくフィードフォワード制御系を設け
るとともに、前記フィードフォワード制御系によって得
られる温度制御信号を、前記変換規則によって電力制御
信号に変換し、前記電力制御信号に応じて、前記電力供
給手段から前記放射加熱手段への電力供給量を制御する
ことを特徴とする半導体基板の熱処理装置における温度
制御方法。
【請求項２】変換規則は温度と放射エネルギーとの関係
についてのステファン・ボルツマンの法則に基いて決定
された、特許請求の範囲第１項記載の半導体基板の熱処
理装置における温度制御方法。
【請求項３】電力供給手段は、電力制御信号に比例した
電力供給量を放射加熱手段に与える線形特性を有してお
り、変換規則は温度制御信号を４乗変換する規則であ
る、特許請求の範囲第２項記載の半導体基板の熱処理装
置における温度制御方法。
【請求項４】４乗変換は、温度制御信号に第１の定数を
加算した後に行ない、前記４乗変換後の信号から第２の
定数を減算して電力制御信号とする、特許請求の範囲第
３項記載の半導体基板の熱処理装置における温度制御方
法。
【請求項５】目標温度に応じた信号の時間微分を求め、
４乗変換後の信号と加算して電力制御信号を作成する、
特許請求の範囲第３項または第４項記載の半導体基板の
熱処理装置における温度制御方法。
【請求項６】半導体基板の温度に関するフィードバック
制御系がフィードフォワード制御系とともに設けられ、
変換規則に基く変換は、前記フィードバック制御系と前
記フィードフォワード制御系の制御との出力の和に対し
て行なわれる、特許請求の範囲第１項記載の半導体基板
の熱処理装置における温度制御方法。
【請求項７】電力供給手段から与えられる電力によって
放射エネルギーを発生し、前記放射エネルギーによって
半導体基板を加熱する熱処理装置において前記半導体基
板の温度を所定の目標温度とするための温度制御装置で
あって、前記目標温度に基づくフィードフォワード制御系を設け
るとともに、前記フィードフォワード制御系によって得
られる温度制御信号を、前記放射加熱手段への供給電力
と前記半導体基板の温度との対応関係に応じた変換規則
によって電力制御信号に変換する変換手段を設け、前記
電力制御信号に応じて、前記電力供給手段から前記放射
加熱手段への電力供給量を制御することを特徴とする半
導体基板の熱処理装置における温度制御装置。
【請求項８】変換手段は、温度と放射エネルギーとの関
係についてのステファン・ボルツマンの法則に基いて決
定された変換規則によって変換を行なう手段である、特
許請求の範囲第７項記載の半導体基板の熱処理装置にお
ける温度制御装置。
【請求項９】電力供給手段は、電力制御信号に比例した
電力供給量を放射加熱手段に与える線形特性を有する手
段であり、変換手段は、温度制御信号を４乗変換する４
乗変換手段である、特許請求の範囲第８項記載の半導体
基板の熱処理装置における温度制御装置。
【請求項１０】半導体基板の温度に関するフィードバッ
ク制御系がフィードフォーワード制御系とともに設けら
れ、変換手段における変換は、前記フィードバック制御
系と前記フィードフォワード制御系とのそれぞれの出力
の和に対して行なわれる、特許請求の範囲第７項記載の
半導体基板の熱処理装置における温度制御装置。