热处理装置和温度控制方法与流程

技术领域

本发明涉及一种热处理装置和温度控制方法。

背景技术：

以往，已知在设置在处理容器内的旋转台的旋转方向上载置多个作为基板的半导体晶圆(以下称作“晶圆”)的热处理装置。该热处理装置具备：气体供给部，其沿旋转台的径向设置，对处理气体进行供给；以及加热器，其设置在旋转台的下部，对晶圆进行加热。而且，一边利用气体供给部进行气体的喷出以及利用加热器进行晶圆的加热，一边使旋转台旋转，由此对晶圆进行成膜处理。

在该热处理装置中，例如，以往将由设置在加热器的附近的热电偶(加热器控制用T/C)测量出的温度作为晶圆温度来进行温度控制。

另外，已知如下半导体制造装置：在成膜时，通过放射温度计对载置有晶圆的基座的温度进行测量，基于该测量结果来控制加热器的输出，从而对晶圆进行成膜处理。

技术实现要素：

发明要解决的问题

然而，在上述的装置中，无法准确地测量在旋转台正在旋转的状态下进行成膜处理时的晶圆的温度，因此难以将晶圆控制为适当的温度来进行成膜处理。

在此，提供一种在处理容器内载置基板且具备进行旋转的旋转台的热处理装置，在该热处理装置中能够准确地控制基板的温度。

用于解决问题的方案

在一个实施方式中，热处理装置将基板载置于设置在处理容器内的旋转台的表面，一边使旋转台旋转一边利用加热单元加热基板来进行规定的成膜处理，该热处理装置具备：

接触型的第一温度测量单元，其对所述加热单元的温度进行测量；

非接触型的第二温度测量单元，其在所述旋转台正在旋转的状态下对载置于所述旋转台的基板的温度进行测量；以及

温度控制单元，其基于由所述第一温度测量单元测量出的第一测量值和由所述第二温度测量单元测量出的第二测量值来控制所述加热单元。

在其它的实施方式中，温度控制方法使用于热处理装置，该热处理装置将基板载置于设置在处理容器内的旋转台的表面，一边使旋转台旋转一边利用加热单元加热基板来进行规定的成膜处理，该温度控制方法包括：

载置步骤，将基板载置于所述旋转台；

第一温度测量步骤，利用接触型的第一温度测量单元对所述加热单元的温度进行测量；

第二温度测量步骤，在所述旋转台正在旋转的状态下，利用非接触型的第二温度测量单元对载置于所述旋转台的基板的温度进行测量；以及

温度控制步骤，基于通过所述第一温度测量步骤测量出的第一测量值和通过所述第二温度测量步骤测量出的第二测量值来控制所述加热单元。

附图说明

添加的附图作为本发明的说明书的一部分而被引入，用于表示本发明的实施方式，并与上述的一般的说明和后述的实施方式的详细说明一同说明本发明的概念。

图1是本实施方式所涉及的热处理装置的纵向概要截面图。

图2是本实施方式所涉及的热处理装置的概要立体图。

图3是本实施方式所涉及的热处理装置的概要俯视图。

图4是说明本实施方式所涉及的热处理装置中的温度测量部的局部截面图。

图5是说明放射温度测量单元的动作的图。

图6是说明旋转台与温度测量区域之间的关系的图。

图7是表示加热器用热电偶与放射温度测量单元之间的相关关系的表。

图8是说明使旋转台旋转的状态和未使旋转台旋转的状态下的晶圆的温度分布的图。

图9是说明载置于旋转台的晶圆的位置的图。

图10是说明本实施方式的热处理装置的效果的图。

具体实施方式

下面，参照添加的附图来说明本实施方式。此外，在本发明的说明书和附图中，通过对实质上具有相同的功能结构的结构要素附加相同的标记来省略重复的说明。在下述的详细的说明中，为了能够充分地理解本发明而给出大量的具体的详细说明。然而，显而易见的是，即使没有这样的详细的说明，本领域技术人员也能够完成本发明。在其它的例子中，未详细地示出公知的方法、过程、系统以及结构要素，以避免难以理解各种各样的实施方式。

(热处理装置的结构)

说明本实施方式的热处理装置的一例。图1是本实施方式所涉及的热处理装置的纵向概要截面图。图2是本实施方式所涉及的热处理装置的概要立体图。图3是本实施方式所涉及的热处理装置的概要俯视图。

本实施方式的热处理装置1具备：大致圆形的扁平的处理容器11；以及水平地设置在处理容器11内的圆板状的旋转台12。处理容器11被设置在大气环境中，由顶板13和处理容器11的容器主体14构成，该容器主体14包括侧壁14a和底部14b。图1中的11a为用于将处理容器11内保持气密性的密封构件，14c为堵住容器主体14的中央部的罩体。图1中的12a为旋转驱动机构，使旋转台12沿周向旋转。另外，旋转驱动机构12a将与旋转台12的旋转位置、旋 转速度有关的信号输入到后述的温度控制单元5。

在旋转台12的表面上，沿旋转台12的旋转方向形成有五个凹部16。图2中的17为输送口。图3中的18为自如地开闭输送口17的闸板(在图2中省略)。当输送机构2A以保持着晶圆W的状态从输送口17进入处理容器11内时，未图示的升降销从面对输送口17的位置处的凹部16的孔16a突出到旋转台12之上来将晶圆W顶起，来在凹部16与输送机构2A之间交接晶圆W。

重复进行这样的由输送机构2A、升降销以及旋转台12进行的一系列的动作，来将晶圆W交接到各凹部16。在从处理容器11搬出晶圆W时，升降销将凹部16内的晶圆W顶起，输送机构2A接受被顶起的晶圆W，并将该晶圆W搬出到处理容器11外。

在旋转台12上，从旋转台12的外周朝向中心延伸的棒状的第一反应气体喷嘴21、分离气体喷嘴22、第二反应气体喷嘴23以及分离气体喷嘴24按该顺序分别沿周向配设。这些气体喷嘴21～24在下方具备开口部，沿旋转台12的直径供给各气体。第一反应气体喷嘴21喷出BTBAS(双(叔丁基氨基)硅烷)气体，第二反应气体喷嘴23喷出O₃(臭氧)气体。分离气体喷嘴22、24喷出N₂(氮气)气体。

处理容器11的顶板13具备两个向下方突出的扇形的突状部25，突状部25在周向上隔开间隔地形成。分离气体喷嘴22、24均设置为嵌入突状部25并且将突状部25在周向上分割。第一反应气体喷嘴21和第二反应气体喷嘴23设置为远离各突状部25。

在旋转台12的下方设置有加热器20。加热器20为对载置于旋转台12的晶圆W进行加热的加热单元的一例。具体地说，加热器20以旋转台12的旋转中心P为中心配置为同心圆状。作为加热器20，能够使用金属丝加热器、钼加热器、碳丝加热器等电阻加热器、感应加热器等。

为了在旋转台12的径向上进行温度控制，将处理容器11的加热区域划分为多个区域、在图1中为三个区带Za、Zb、Zc。而且，与各区带Za、Zb、Zc分别对应地将加热器20划分成三个区带加热器20a、20b、20c，能够对各区 带加热器相独立地进行控制。此外，对于该区带数不特别地进行限定，既可以是一个区带，也可以是两个区带，还可以是四个以上的区带。

在各区带加热器20a、20b、20c的附近设置有三个用于测量其温度的加热器用热电偶3a、3b、3c。以下，也将三个加热器用热电偶3a、3b、3c简单地称作加热器用热电偶3。

加热器用热电偶3为测量加热器20的温度的接触型的第一温度测量单元的一例。具体地说，各加热器用热电偶3a、3b、3c的一端以从容器主体14的下方将容器主体14的底部14b气密地贯通的方式配置于旋转台12的下方。另一方面，各加热器用热电偶3a、3b、3c的另一端与后述的温度控制单元5连接，各加热器用热电偶3a、3b、3c的测量值(第一测量值)被输入到例如包括微计算机等的温度控制单元5。然后，基于该测量值控制加热单元来对载置于旋转台12的晶圆W进行加热。

当将晶圆W载置于各凹部16时，从排气口26进行排气来使处理容器11内变为真空环境，该排气口26在容器主体14的底面且从突状部25的下方的分离区域D1与分离区域D2之间的区域趋向旋转台12的径向外侧的位置处开口。而且，旋转台12旋转，并且由设置在旋转台12的下方的加热器20经由旋转台12将晶圆W加热至规定的温度。图3中的箭头27表示旋转台12的旋转方向。

接着，从各气体喷嘴21～24供给气体，晶圆W交替地通过第一反应气体喷嘴21的下方的第一处理区域P1和第二反应气体喷嘴23的下方的第二处理区域P2。由此，BTBAS气体吸附于晶圆W，接着O₃气体吸附于晶圆W而使BTBAS分子氧化，从而形成一层或者多层的氧化硅的分子层。这样，氧化硅的分子层依次层叠而形成规定膜厚的氧化硅膜。

在进行该成膜处理时，从分离气体喷嘴22、24被供给到分离区域D1、D2的N₂气体在分离区域D1、D2沿周向扩散，来抑制BTBAS气体与O₃气体在旋转台12上混合。另外，将剩余的BTBAS气体和O₃气体冲向排气口26。另外，在进行该成膜处理时，向旋转台12的中心部区域C处的空间28供给N₂气体。该N₂气体经由在顶板13处以环状向下方突出的突出部29的下方被供给到旋 转台12的径向外侧，由此防止BTBAS气体与O₃气体在中心部区域C混合。在图3中，通过箭头示出进行成膜处理时的各气体的流动。另外，虽然省略了图示，但是对罩体14c内和旋转台12的背面侧也供给N₂气体来对反应气体进行吹扫。

接着，还参照将顶板13和旋转台12的纵向截面放大地表示的图4来说明本实施方式所涉及的热处理装置1。图4是说明本实施方式所涉及的热处理装置1中的放射温度测量单元4的局部截面图。具体地说，图4表示设置有第一反应气体喷嘴21的处理区域P1与在旋转台12的旋转方向上在处理区域P1的上游侧与该处理区域P1相邻的分离区域D2之间的截面。

在顶板13上在图3中用点划线表示的位置处开口有沿旋转台12的径向延伸的狭缝41，以覆盖该狭缝41的上下的方式设置有下侧窗42、上侧窗43。该下侧窗42、上侧窗43使从旋转台12的表面侧放射的红外线透过，例如由蓝宝石构成以使后述的放射温度测量单元4能够进行温度的测量。此外，旋转台12的表面侧也包括晶圆W的表面侧。

在狭缝41的上方设置有放射温度测量单元4。放射温度测量单元4为在旋转台12正在旋转的状态下对载置于旋转台12的晶圆W的温度进行测量的非接触型的第二温度测量单元的一例。

图4中的从旋转台12的表面至放射温度测量单元4的下端为止的高度H例如为500mm。关于该放射温度测量单元4，将从旋转台12的温度测量区域放射的红外线引导到后述的检测部401，检测部401获取与该红外线的量相应的测量值(第二测量值)。因而，该测量值由于获取红外线的位置的温度的不同而不同，获取到的测量值依次被发送到后述的温度控制单元5。

接着，参照图5来说明放射温度测量单元4的动作。图5是说明放射温度测量单元4的动作的图。

如图5所示，放射温度测量单元4具备旋转体402，该旋转体402包括以50Hz进行旋转的伺服电动机。该旋转体402在俯视观察时构成为三角形状，旋转体402的三个侧面分别构成为反射面403～405。如图5所示，旋转体402绕 旋转轴406进行旋转，由此如图中用箭头表示的那样通过反射面403～405中的任一个反射面对旋转台12上的包括晶圆W的温度测量区域410的红外线进行反射来将该红外线引导到检测部401，并且使温度测量区域410的位置在旋转台12的径向上移动来进行扫描(scan)。

检测部401构成为通过从一个反射面连续规定次数(例如128次)地取入红外线，能够对旋转台12的径向上的规定位置(例如128个位置)处的温度进行检测。而且，通过旋转体402的旋转使反射面403～405依次位于红外线的光路上，由此能够从旋转台12的内侧朝向外侧方向重复地进行扫描，该扫描的速度为150Hz。即，放射温度测量单元4能够在1秒内进行150次扫描。另外，温度测量区域410是其直径为5mm的斑点。扫描是在旋转台12上且从比用于载置晶圆W的凹部16靠内侧的位置起至旋转台12的外周端的范围内进行的。此外，图4中的点划线44、45表示从分别移动到旋转台12的最内周侧、最外周侧的温度测量区域410朝向放射温度测量单元4的红外线的路径。

由放射温度测量单元4进行的扫描是在旋转台12正在旋转的状态下进行的。旋转台12的旋转速度在该例中为240转/分。图6是表示旋转台12与温度测量区域410之间的关系的俯视图。此外，图中的411表示在旋转台12正在旋转的状态下从旋转台12的内侧朝向外侧进行第n次(n为整数)扫描时的温度测量区域410的列(扫描线)。图中的412表示进行第n+1次(n为整数)扫描时的扫描线。由于旋转台12的旋转，以旋转台12的旋转中心P为中心，扫描线411、412相互错开与旋转台12的旋转速度相应的角度为θ1的中心角。通过像这样一边使旋转台12旋转一边重复进行扫描，来依次获取旋转台12的多个位置的测量值。

温度控制单元5基于由加热器用热电偶3测量出的测量值和由放射温度测量单元4测量出的测量值对加热器驱动单元6进行控制，来控制晶圆W的温度。另外，与旋转台12的旋转位置、旋转速度有关的信号从旋转驱动机构12a被输入到温度控制单元5。

此外，在图1中，存储单元7为用于存储后述的表等的存储器。

(温度控制方法)

接着，说明使用前述的本实施方式的热处理装置1进行的温度控制的方法的一例。

首先，说明使用热处理装置1对产品晶圆进行的成膜处理。

打开设置于输送口17的闸板18，通过输送机构2A将产品晶圆从处理容器11的外部经由输送口17交接到旋转台12的凹部16内。该交接是通过在凹部16停止于面对输送口17的位置处时、未图示的升降销经由凹部16的底面的贯通孔相对于处理容器11的底部侧进行升降来进行的。使旋转台12间歇性地旋转来进行这样的产品晶圆的交接，将产品晶圆分别载置在旋转台12的五个凹部16内。

接着，关闭闸板18，通过与排气口26连接的未图示的真空泵将处理容器11内抽吸为真空(日语：引き切り)的状态。从分离气体喷嘴22、24将作为分离气体的N₂气体以规定流量喷出，将N₂气体以规定流量供给到旋转台12的中心部区域C处的空间28。伴随于此，通过与排气口26连接的未图示的压力调整单元将处理容器11内调整为预先设定的压力。

接着，一边使旋转台12顺时针地旋转一边通过加热器20将产品晶圆加热至例如400℃，从第一反应气体喷嘴21供给BTBAS气体，从第二反应气体喷嘴23供给O₃气体。

而且，在产品晶圆经过第一处理区域P1时，作为原料气体的BTBAS气体从第一反应气体喷嘴21被供给并吸附于产品晶圆的表面。在表面上吸附有BTBAS气体的产品晶圆通过旋转台12的旋转而经过具有分离气体喷嘴22的分离区域D1并被吹扫，之后进入第二处理区域P2。

在第二处理区域P2中，从第二反应气体喷嘴23供给O₃气体，BTBAS气体中含有的Si成分通过O₃气体而被氧化，作为反应生成物的SiO₂沉积于产品晶圆的表面。经过了第二处理区域P2的产品晶圆在经过具有分离气体喷嘴24的分离区域D2并被吹扫之后，再次进入第一处理区域P1。

然后，从第一反应气体喷嘴21供给BTBAS气体，BTBAS气体吸附于产 品晶圆的表面。

以上，通过使旋转台12连续旋转多圈来向处理容器11内供给BTBAS气体和O₃气体。由此，作为反应生成物的SiO₂沉积于产品晶圆的表面而形成SiO₂膜(氧化硅膜)。

在此，在对产品晶圆进行的成膜处理中，通过与区带Za、Zb、Zc对应的加热器用热电偶3a、3b、3c对区带加热器20a、20b、20c的温度进行测量，并向温度控制单元5输入测量值。然后，温度控制单元5基于测量出的测量值和后述的存储单元7中存储的表对加热器驱动单元6进行驱动，来对各区带加热器20a、20b、20c进行控制。

对产品晶圆进行的成膜处理如前述那样进行，但是在本实施方式中，在前述的对产品晶圆进行的成膜处理之前，使用虚拟晶圆(例如SiC晶圆)来将由加热器用热电偶3测量出的测量值和由放射温度测量单元4测量出的测量值之间的相关关系表格化，在进行产品晶圆的成膜处理时，参照该表来进行温度控制。

首先，通过与对产品晶圆进行的成膜处理同样的方法，在将虚拟晶圆分别载置在旋转台12的五个凹部16内之后，将处理容器11内调整为预先设定的压力。接着，一边使旋转台12顺时针地旋转一边通过加热器20将虚拟晶圆加热至例如400℃。

接着，通过各加热器用热电偶3a、3b、3c对各区带加热器20a、20b、20c的温度进行测量，并且通过放射温度测量单元4对虚拟晶圆的温度进行测量。而且，通过温度控制单元5，使用由加热器用热电偶3a、3b、3c测量出的测量值和由放射温度测量单元4测量出的测量值来将两者的相关关系表格化。此时，优选的是，将放射温度测量单元4的测量值达到在进行成膜处理时使用的温度时的各加热器用热电偶3a、3b、3c的温度如图7所示那样表格化。此外，图7是表示加热器用热电偶3a、3b、3c与放射温度测量单元4之间的相关关系的表。

关于创建表时的处理条件，优选设定为与产品晶圆的成膜处理时的处理 条件相同。另外，优选的是，在产品晶圆的成膜处理时的温度条件存在多个的情况下，以使由放射温度测量单元4测量出的温度与产品晶圆的成膜处理时的多个温度条件相对应地变更的方式预先设置多个表。由此，即使在产品晶圆的成膜处理时的温度条件存在多个的情况下，也能够参照与产品晶圆的成膜处理时的温度条件对应的表来控制加热单元，能够特别准确地控制基板的温度。

另外，优选的是，预先设置间隔规定温度(例如10℃)的多个表，以便即使在产品晶圆的成膜处理时的温度条件未确定的情况、存在变更的可能性的情况下，也能够准确地控制基板的温度。由此，即使在产品晶圆的成膜处理时的温度条件未确定的情况、进行变更的情况下，也能够参照产品晶圆的成膜处理时的温度条件或者与产品晶圆的成膜处理时的温度条件接近的表来控制加热单元。因此，能够特别准确地控制基板的温度。

另外，放射温度测量单元4对温度的测量是在旋转台12正在旋转的状态下进行的，因此测量值有时包括虚拟晶圆的温度以外的温度(例如旋转台12的温度)。

因此，优选的是，通过温度控制单元5来判定由放射温度测量单元4测量出并输入到温度控制单元5的测量值是否为虚拟晶圆的温度。

关于温度控制单元5的判定方法，不特别地进行限定。例如，温度控制单元5基于与从旋转驱动机构12a输入的旋转台12的旋转位置、旋转速度有关的信号来判定从放射温度测量单元4输入的测量值是否为虚拟晶圆的温度。具体地说，通过对预先设定的旋转台12的五个凹部16的旋转位置的信息与从旋转驱动机构12a输入的旋转台12的旋转位置、旋转速度的信息进行比较来进行判定。

在如以上那样完成表的创建之后，进行前述那样的产品晶圆的成膜处理，例如重复地进行这样的产品晶圆的成膜处理直到热处理装置1的部件更换等维护时期为止。而且，在进行热处理装置1的维护之后，再次进行表的创建。此外，进行表的创建的定时不限定于热处理装置的维护后，例如还可 以在进行清洁处理之后等其它的定时进行表的创建。

接着，说明载置于旋转台12的晶圆W的温度。

首先，说明旋转台12正在旋转的状态和未使旋转台12旋转的状态下的晶圆W(旋转台12)的温度分布的一例。图8是说明旋转台12正在旋转的状态和未使旋转台12旋转的状态下的晶圆的温度分布的图。具体地说，图8的(A)表示在旋转台12正在旋转的状态下控制加热器20使得晶圆W的温度达到760℃时的晶圆W(旋转台12)的温度分布。另外，图8的(B)表示在未使旋转台12旋转的状态下控制加热器20使得晶圆W的温度达到760℃时的晶圆W(旋转台12)的温度分布。

如图8的(A)和图8的(B)所示，能够确认旋转台12正在旋转的状态下的晶圆W(旋转台12)的温度分布与未使旋转台12旋转的状态下的晶圆W(旋转台12)的温度分布大不相同。由此可知，准确测量在使旋转台12旋转的状态下进行的成膜处理时的晶圆的温度是重要的。

接着，说明通过前述的温度控制方法来对加热器20进行控制时的晶圆W的温度。

图9是说明载置于旋转台12的晶圆W的位置的图。图10是说明本实施方式的热处理装置1的效果的图。

具体地说，图10的(A)和图10的(B)是表示通过放射温度测量单元4对使旋转台12沿图9的箭头A顺时针旋转360°时的晶圆W(旋转台12)的温度进行测量的结果的曲线图。图10的(A)是通过前述的温度控制方法来对加热器20进行控制时的曲线图，图10的(B)是未通过前述的温度控制方法来进行控制时的曲线图。此外，在图10的(A)和图10的(B)中，横轴表示位置，纵轴表示温度。

在图10的(A)和图10的(B)中，实线、虚线以及点线分别是使旋转台12沿图9的箭头A旋转时的区带Za(箭头Aa)、区带Zb(箭头Ab)、区带Zc(箭头Ac)内的晶圆W(旋转台12)的温度。此外，如图10的(A)和图10的(B)所示，各区带Za、Zb、Zc内的温度是波动的，这是因为交替地对晶圆W和旋转台12进行测量。

如图10的(A)所示，确认了在通过前述的温度控制方法来对加热器20进行控制的情况下，在全部的区带Za、Zb、Zc内晶圆W的温度均达到与目标温度(成膜处理时的温度)相等的温度。

与此相对，如图10的(B)所示，确认了在未通过前述的温度控制方法(不使用前述的表)来控制加热器20的情况下，在全部的区带Za、Zb、Zc内晶圆W的温度大幅地偏离于目标温度。具体地说，确认了区带Za、Zc内的晶圆W的温度高于目标温度，区带Zb内的晶圆W的温度低于目标温度，旋转台12的径向上的温度偏差大。

如以上说明那样，根据本实施方式所涉及的热处理装置和温度控制方法，通过放射温度测量单元4来测量晶圆W的温度。因此，能够高精度地测量晶圆W的温度。另外，通过加热器用热电偶3来测量加热器20的温度，温度控制单元5基于由加热器用热电偶3测量出的温度和由放射温度测量单元4测量出的温度来控制加热器20，由此控制晶圆W的温度。因此，能够准确地控制晶圆W的温度。

以上，通过实施方式说明了热处理装置和温度控制方法，但是本发明不限定于上述实施方式，能够在本发明的范围内进行各种变形和改进。

在前述的实施方式中，对第二温度测量单元为放射温度测量单元4的方式进行了说明，但是本发明不限定于此。作为第二温度测量单元，只要是非接触型的温度测量单元即可，例如也可以使用放射温度计、利用表面声波的无线温度传感器。

根据本实施方式，能够提供一种将基板载置在处理容器内并且具备进行旋转的旋转台的热处理装置，在该热处理装置中能够准确地控制基板的温度。

本次公开的实施方式在所有方面均为例示，不应该认为对发明进行了限制。实际上，上述的实施方式能够通过多种方式来实现。另外，上述的实施方式只要不脱离所附的权利要求书的范围及其主旨，就能够通过各种方式进行省略、替换、变更。本发明的范围包括所附的权利要求书的范围及其同等 的意思以及范围内的全部变更。