专利名称：热处理装置、热处理方法、计算机程序及存储介质的制作方法
技术领域：
本发明是涉及将半导体晶片等多个基板搭载在基板保持器具上，并搬入反应容器内进行热处理的例如立式热处理装置等热处理装置中的温度控制技术领域。
背景技术：
作为对半导体晶片(以下，称为“晶片”)分批进行CVD成膜处理或氧化、扩散处理等热处理的装置，有立式热处理装置。该立式热处理装置具有加热炉和设置于加热炉内的立式反应容器。反应容器的下端开口部通过盖体进行开闭。在该盖体上搭载有作为基板保持器具的晶舟，在该晶舟上以搁板状保持有多个晶片。由盖体的上升将晶舟搬入反应容器内后，进行规定的热处理。
图8表示现有的立式热处理装置，该装置具有由内管100和外管101构成的二重管结构的反应容器102；加热器103。处理气体从内管100的下方侧供给，在内管100与外管101之间下降而排气。104为晶舟，105为盖体，W为晶片。作为这样的装置中的温度控制方式，有图8(a)、(b)所示的方法。为了图示的方便，记载了由一个加热器103对反应容器102内进行加热，但实际上加热器103在上下方向被分配多个例如5个，各自进行各区域的区段控制。图8(a)是在内管100与外管101之间，对应各加热器103，设置5个例如由热电偶构成的温度检测部106，由这些温度检测部106对加热器103进行温度控制的例子。图8(b)是在盖体105立起的支撑体107上设置5个例如由热电偶构成的温度检测部106，由这些温度检测部106对加热器103进行温度控制的例子。
然而，在将搭载有晶片W的晶舟104搬入反应容器102内时(装载时)，在反应管的内壁该例子中为内管100的内壁上，容易发生温度变化。即，成膜处理结束，从反应容器102内搬出的晶舟104，在取出处理完的晶片W并进行新晶片W的移载的期间会降温，而且，由于是冷的晶片W搭载在该晶舟104上，所以在装载时，很难使内管100的内壁温度稳定。例如在图8(a)的方法中，温度检测部106在热处理气氛中插入内管100的内壁而设置，所以相对于内管100的内壁的温度下降量，温度检测部106的温度下降量较小，这样对加热器103的电力供给就不充分，上述内壁的温度下降大。
而且，在图8(b)的方法中，温度检测部106与内管100的内壁不是密接的，而是离开的，由于温度检测部106自身的热容量较小，所以实际的内壁温度以上的温度检测值低下。为了恢复该下降的温度检测值而抑制温度下降，向加热器103供给的电力过大，内壁温度有过高的倾向。另外，如果是将温度检测部106埋入内管100的内壁的结构，虽然能够使内壁的温度稳定化，但在温度检测部106断线的情况下，就必须将内管100进行全部更换，这是不现实的。
但是，内管100的内壁的温度发生变化时，在作为反应容器的材料例如石英与内壁上粘附的薄膜之间，因热膨胀率的差异而产生膜剥离，结果是引起颗粒污染。例如氮化硅膜，广泛用于侵蚀时的所谓硬掩膜等，而且，由于介电常数高，所以即使是物理的膜厚大，也具有与氧化硅膜同样的电气特性，是被用于栅极氧化膜或层间绝缘膜的罩(cap)膜等的有用膜。但是该氮化硅膜与石英的热膨胀率的差大，所以容易因内壁的温度变化引起膜剥离。另一方面，由于半导体设备的设计规则减小、并且向薄膜化发展，颗粒的容许界限更加严格，即使是迄今为止几乎不成为问题的现象，也可能作为成品率下降的原因被关注，极力要求能够抑制晶舟搬入时(装载时)反应容器内壁的温度变化。
另外，在专利文献1中，记载了为了防止晶片的装载时或卸载时处理容器的膜剥离，基于温度传感器的检测值和热模型而预测被处理体的温度。
专利文献1日本专利特开2005-159317号公报
发明内容
本发明是鉴于上述问题而提出的，其目的在于，提供一种在将多个基板搭载在基板保持器具上并搬入反应管内，进行热处理时，能够实现基板保持器具搬入时反应管的内壁的温度稳定化的热处理装置、热处理方法、用于实施该方法的计算机程序以及存储计算机程序的存储介质。
本发明的热处理装置的特征在于， 包括 具有炉口的反应管； 设置在反应管的周围的加热单元； 相互平行地保持多个基板的基板保持器具； 向反应管内导入处理气体，并对基板进行热处理的处理气体导入单元； 设置在反应管的外部的外部温度检测部； 向加热单元供给电力的电源；和 控制电源的控制部， 控制部包括 根据向加热单元供给的电力的指令值，对反应管的内壁温度进行预测的预测单元；和 根据利用上述外部温度检测部检测出的温度检测值和利用上述预测单元预测出的内壁温度，对向加热单元供给的电力进行控制的电力控制单元。
本发明的热处理装置的特征还在于，上述电力控制单元包括用于执行以下步骤的电力指令值运算部 第一步骤，在将上述基板保持器具搬入反应管内的装载初期时，以上述内壁温度的预测值yd作为主要控制对象，对向加热单元供给的电力的指令值进行运算；和 第二步骤，在装载末期时，以上述外部温度检测部的检测值ym作为主要控制对象，对向加热单元供给的电力的指令值进行运算。
本发明的热处理装置的特征还在于， 上述第一步骤是将利用上述预测单元求得的内壁温度的预测值yd和上述外部温度检测部的检测值ym，按照比率r(0≤r≤1)，混合为yd·r+ym·(1-r)，根据将比率r设定得较大的混合值和反应管内的设定温度，对上述电力的指令值进行运算的步骤； 上述第二步骤是将利用上述预测单元求得的内壁温度的预测值yd和上述外部温度检测部的检测值ym，按照比率r(0≤r≤1)，混合为yd·r+ym·(1-r)，根据将比率r设定得较小的混合值和反应管内的设定温度，对上述电力的指令值进行运算的步骤。
本发明的热处理装置的特征还在于，上述第一步骤中的比率r为100％。
本发明的热处理装置的特征还在于，上述第二步骤中的比率r为0％。
本发明的热处理装置的特征还在于，上述电力指令值运算部，在上述第一步骤与第二步骤之间，执行用于抑制装载结束时反应管内过度的温度上升，将上述比率r设定为两步骤的比率之间的值，对电力的指令值进行运算的过渡步骤。
本发明的热处理装置的特征还在于，上述过渡步骤的比率r随时间而缓慢减小。
本发明的热处理装置的特征还在于，在上述盖体与基板保持器具之间设置有绝热材料，在绝热材料的附近设置有端部温度检测部， 控制部包括根据基板保持器具被搬出时的上述端部温度检测部与外部温度检测部的各温度检测值的差、和与此时的基板保持器具的搬入速度相对应的每单位温度的时刻变化量，来决定过渡步骤的开始时刻的单元。
本发明的热处理装置的特征还在于，在反应管的内壁上安装有内壁温度检测部， 控制部内置有内壁温度检测部的检测值和向加热单元供给的电力的指令值的各时间系列数据， 预测单元根据这些时间系列数据，制作用于规定内壁温度检测部的检测值与上述电力的指令值的关系的预测运算式，使用该预测运算式，对反应管的内壁温度进行预测。
本发明的热处理装置的特征还在于，控制部内置有外部温度检测部的检测值和向加热单元供给的电力的指令值的各时间系列数据， 预测单元根据这些时间系列数据，制作用于规定上述外部温度检测部的检测值与上述电力的指令值的关系的预测运算式，并根据该预测运算式和上述电力的指令值，求出上述外部温度检测部的温度检测值的预测值，基于该预测值与实际得到的温度检测值的差(差分)，对上述反应管的内壁温度的预测值进行修正。
本发明的热处理方法，使用热处理装置对基板进行热处理的热处理方法，其特征在于， 上述热处理装置包括 具有炉口的反应管； 设置在反应管的周围的加热单元； 相互平行地保持多个基板的基板保持器具； 向反应管内导入处理气体，并对基板进行热处理的处理气体导入单元； 设置在反应管的外部的外部温度检测部； 向加热单元供给电力的电源；和 控制电源的控制部， 控制部包括 根据向加热单元供给的电力的指令值，对反应管的内壁温度进行预测的预测单元；和 根据利用上述外部温度检测部检测出的温度检测值和利用上述预测单元预测出的内壁温度，对向加热单元供给的电力进行控制的电力控制单元， 该热处理方法包括 通过设置在反应管的外部的外部温度检测部，对温度进行检测的工序； 根据向加热单元供给的电力的指令值，通过控制部的预测单元，对反应管的内壁温度进行预测的预测工序；和 根据利用上述外部温度检测部检测出的温度检测值和利用上述预测单元预测出的内部温度，通过控制部的电力控制单元，对向加热单元供给的电力进行控制的工序。
本发明的热处理方法的特征还在于，对向上述加热单元供给的电力进行控制的工序包括以下工序 第一工序，在将上述基板保持器具搬入上述反应管内的装载时，以上述内壁温度的预测值yd作为主要控制对象，对向加热单元供给的电力的指令值进行运算；和 第二工序，在装载结束后，以上述外部温度检测部的检测值ym作为主要控制对象，对向加热单元供给的电力的指令值进行运算。
本发明的热处理方法的特征还在于， 上述第一工序是将利用上述预测单元求得的内壁温度的预测值yd和上述外部温度检测部的检测值ym，按照比率r(0≤r≤1)，混合为yd·r+ym·(1-r)，根据将比率r设定得较大的混合值和反应管内的设定温度，对上述电力的指令值进行运算的工序， 上述第二工序是将利用上述预测单元求得的内壁温度的预测值yd和上述外部温度检测部的检测值ym，按照比率r(0≤r≤1)，混合为yd·r+ym·(1-r)，根据将比率r设定得较小的混合值和反应管内的设定温度，对上述电力的指令值进行运算的工序。
本发明的热处理方法的特征还在于，将上述比率r设定得较大的第一工序中的比率r为100％。
本发明的热处理方法的特征还在于，将上述比率r设定得较小的第二工序中的比率r为0％。
本发明的热处理方法的特征还在于， 在上述第一工序与第二工序之间，包括用于抑制装载结束时反应管内过度的温度上升，将上述比率r设定为两工序的比率之间的值，对电力的指令值进行运算的过渡工序。
本发明的热处理方法的特征还在于，上述过渡工序的比率r随时间而缓慢减小。
本发明的热处理方法的特征还在于，在上述盖体与基板保持器具之间设置有绝热材料，在绝热材料的附近设置有端部温度检测部， 控制部根据基板保持器具被搬出时的上述端部温度检测部与外部温度检测部的各温度检测值的差、和与此时的基板保持器具的搬入速度相对应的每单位温度的时刻变化量，来决定使上述比率r缓慢减小的开始时间。
本发明的热处理方法的特征还在于，在反应管的内壁上安装有内壁温度检测部，控制部内置有内壁温度检测部的检测值和向加热单元供给的电力的指令值的各时间系列数据， 由预测单元，根据这些时间系列数据，制作用于规定内壁温度检测部的检测值与上述电力的指令值的关系的预测运算式， 上述预测工序使用该预测运算式对反应管的内壁温度进行预测。
本发明的热处理方法的特征还在于，控制部内置有外部温度检测部的检测值和向加热单元供给的电力的指令值的各时间系列数据， 由预测单元，根据这些时间系列数据，制作用于规定上述外部温度检测部的检测值与上述电力的指令值的关系的预测运算式，上述预测工序根据该预测运算式和上述电力的指令值，求出上述外部温度检测部的检测值的预测值，基于该预测值与实际得到的检测值的差，对上述反应管的内壁温度的预测值进行修正。
本发明的计算机程序，用于使计算机执行使用热处理装置对基板进行热处理的热处理方法，其特征在于， 上述热处理装置包括 具有炉口的反应管； 设置在反应管的周围的加热单元； 相互平行地保持多个基板的基板保持器具； 向反应管内导入处理气体，并对基板进行热处理的处理气体导入单元； 设置在反应管的外部的外部温度检测部； 向加热单元供给电力的电源；和 控制电源的控制部， 控制部包括 根据向加热单元供给的电力的指令值，对反应管的内壁温度进行预测的预测单元；和 根据利用上述外部温度检测部检测出的温度检测值和利用上述预测单元预测出的内壁温度，对向加热单元供给的电力进行控制的电力控制单元， 该热处理方法包括 通过设置在反应管的外部的外部温度检测部，对温度进行检测的工序； 根据向加热单元供给的电力的指令值，通过控制部的预测单元，对反应管的内壁温度进行预测的预测工序；和 根据利用上述外部温度检测部检测出的温度检测值和利用上述预测单元预测出的内部温度，通过控制部的电力控制单元，对向加热单元供给的电力进行控制的工序。
本发明的存储介质，存储有使计算机执行使用热处理装置对基板进行热处理的热处理方法的计算机程序，其特征在于， 上述热处理装置包括 具有炉口的反应管； 设置在反应管的周围的加热单元； 相互平行地保持多个基板的基板保持器具； 向反应管内导入处理气体，并对基板进行热处理的处理气体导入单元； 设置在反应管的外部的外部温度检测部； 向加热单元供给电力的电源；和 控制电源的控制部， 控制部包括 根据向加热单元供给的电力的指令值，对反应管的内壁温度进行预测的预测单元；和 根据利用上述外部温度检测部检测出的温度检测值和利用上述预测单元预测出的内壁温度，对向加热单元供给的电力进行控制的电力控制单元， 该热处理方法包括 通过设置在反应管的外部的外部温度检测部，对温度进行检测的工序； 根据向加热单元供给的电力的指令值，通过控制部的预测单元，对反应管的内壁温度进行预测的预测工序；和 根据利用上述外部温度检测部检测出的温度检测值和利用上述预测单元预测出的内部温度，通过控制部的电力控制单元，对向加热单元供给的电力进行控制的工序。
根据本发明，包括如下步骤在反应管的外部设置有外部温度检测部，并且根据向加热单元供给的电力的指令值对反应管的内壁温度进行预测，对向加热单元供给的电力的指令值进行运算时，在装载时以上述内壁温度的预测值作为主要控制对象。因此能够抑制装载时反应管的内壁温度的变化，例如能够抑制由热冲击所引起的内壁的剥离。
并且，在上述步骤之后，如果继续进行以上述内壁温度的预测值和外部温度检测部的检测值的混合值作为控制对象，其后以外部温度检测部的检测值作为主要控制对象的步骤，则能够将主要控制对象从内壁温度的预测值可以说平稳地切换到外部温度检测部的检测值，因此结束装载、由盖体封闭反应管后，就能够抑制加热单元的供给电力过大引起反应管内的温度大大超过设定温度的所谓过调节(overshoot)，能够使温度迅速地达到稳定化。
图1是表示本发明的实施方式的立式热处理装置的纵截侧面图。
图2是表示本发明的实施方式所使用的控制部的框图。
图3是表示为了进行内壁温度的预测，预先在反应管的内壁上安装温度检测部，读取数据的状态的纵截侧面图。
图4(a)～(c)是表示外部温度检测部、内壁温度和对加热器的电力指令值的各时间推移的说明图。
图5是表示将实际反应管内的热体系与预测内壁温度的单元各自模块化，将这些模块与电力指令值运算部进行组合而形成的控制模块的框图。
图6是表示比率的变化模式的一例的说明图。
图7是表示运算比率的运算部的模块的框图。
图8(a)、(b)是表示现有的立式热处理装置的温度检测方法的侧面图。
具体实施例方式 图1是将本发明适用于立式热处理装置的实施方式中的全体构成图。首先对该立式热处理装置的全体构成进行简单的说明，该立式热处理装置，具有例如由两端开口的石英制内管1a和上端闭塞的石英制外管1b构成的二重管结构的石英管，在该例中，由于内管1a划分热处理气氛，所以反应管在该例中相当于内管1a。在外管1b的周围，筒状的绝热层21固定设置于基体22。在该绝热层21的内侧，例如上下分配设置有多个作为加热单元的由电阻发热体构成的加热器。在该例中，例如分配(分割)数为5段，被分配的加热器从第一段顺序地赋予符号31～35。而且，晶片的加热处理气氛在上下方向上分为5个进行加热控制的区域，这些加热器31～35，分别对5个区域进行加热。
内管1a和外管1b由下部侧被支撑在总管(manifold)23上。以在内管1a内侧的下部区域开口有供给口的方式，在该总管23上设置有气体供给管(处理气体导入单元)24，并且连接与真空泵(未图示)相连接的排气管25，使得从内管l a与外管1b之间排气。另外，在该例中，总管23也是反应管的一部分。
另外，以堵塞总管23的下端开口部的方式设置盖体11，该盖体11设置在晶舟升降机12上。在盖体11上设置有由驱动部13通过旋转轴14而旋转的旋转台15。在该旋转台15上，隔着作为例如由石英制的保温筒构成的绝热材料的绝热单元16，搭载有作为基板保持器具的晶舟17。晶舟17是能够将多个作为基板的晶片W载置成搁板状。
另外，在内管1a与外管1b之间，在与各加热器31～35相对应的高度位置上，分别设置有相当于外部温度检测部的例如由热电偶构成的外部温度传感器TC1～TC5。这些外部温度传感器TC1～TC5，例如设置在基端侧安装于总管23侧壁的未图示的杆(rod)上。而且，与各加热器31～35相对应，设置有电源部(电力供给部)41～45。
该立式热处理装置具有控制部5，该控制部5构成为读入外部温度传感器TC1～TC5的温度检测值ym1～ym5，向电源部41～45分别输出电力指令值u1～u5。另外，在绝热单元16的附近，设置有相当于端部温度检测部的例如由热电偶构成的底部温度检测部BTC，该底部温度检测部BTC的温度检测值yb被读入控制部5。底部温度检测部BTC例如设置于安装在盖体11上的未图示的杆上。
如图2所示，控制部5具有对内管1a的内壁温度进行预测的预测单元50，该预测单元50，读入对应各电源部41～45的电力指令值u1～u5，通过进行后述的运算处理，输出内壁温度检测值yd1、yd2。所谓对内管1a的内壁温度进行预测是指在内管1a的内壁中，装载时(搭载有晶片W的晶舟17搬入时)，对外部温度传感器TC1～TC5的温度检测值与该外部温度传感器TC1～TC5所担当的区域的内壁温度之间的差最大的部位的温度进行预测。从另一观点讲，是在该部位恰似设置有温度传感器，从该假想的温度传感器而读入温度检测值。
对该内壁的温度的预测进行更具体的说明。在对于晶片W进行热处理的运用之前，如图3所示，预先在内管1a的内壁上贴附例如由热电偶构成的内壁温度检测部。在该例中，在比第一段的外部温度传感器TC1更接近炉口的高度位置和第一段的外部温度传感器TC1与第二段的外部温度传感器TC2之间的高度位置的2处，分别设置内壁温度检测部的内壁温度传感器201和202。另外，分别由PID运算部61～65，对各加热器31～35所担当的区域的温度设定值与外部温度传感器TC1～TC5的温度检测值ym1～ym5的偏差(偏差分)进行运算，将各加热器31～35的电力指令值u1～u5分别给予电源部41～45，分别将与各电力指令值u1～u5相对应的电力供给到加热器31～35。
一边进行这种的温度控制，一边将晶片W搭载在晶舟17上，进行装载，直至由盖体11封闭反应容器的炉口的期间，将相对于从装载开始时刻经过时间的外部温度传感器TC1～TC5的温度检测值ym1～ym5、由内壁温度传感器201、202检测出的内壁温度检测值yd1、yd2、电力指令值u1～u5的值，存储在控制部5内未图示的存储器或其他的计算机的存储器。图4是如此存储在存储器中的数据，图4(a)是外部温度传感器TC1～TC5的温度检测值ym1～ym5的数据，图4(b)是内壁温度检测值yd1、yd2的数据，图4(c)是电力指令值u1～u5的值。即，从这些数据，能够得到温度检测值ym1～ym5、内壁温度检测值yd1、yd2、和电力指令值u1～u5三者的关系。
电源部41～45例如由交流电源、开关(switching)部和平滑部等构成，电力指令值u1～u5例如相当于规定开关的导通的时刻的信号即交流的相位控制信号的值，作为控制部200的信息，与供给到加热器31～35的电力相同。所以，图4的数据可以说是温度检测值ym1～ym5、内壁温度检测值yd1、yd2和供给到加热器31～35的电力的三者的关系。
作为取得这样的三者的关系时的控制方法，在与第一段的加热器31相对应的PID运算部61中，对温度设定值与内壁温度检测值yd1之间的偏差进行运算，在与第二段、第三段的加热器32、33相对应的PID运算部62、63中，对温度设定值与内壁温度检测值yd2之间的偏差进行运算，可以将其作为控制对象。
另一方面，根据(autoregressive model with exogenous inputARX)模型，表示温度检测值与向加热器供给的电力的关系的一般预测式如(式1)。
y(k)＝-P1y(k-1)-…-Pny(k-n)+Q1u(k-1)+ …+Qnu(k-n)+e(k)…(式1) k是计算机和读入数据的抽样的时刻，(k-1)意味着第k个抽样的前一个的时刻。另外，e(k)是干扰。在该预测式中，由于加热器和温度传感器都是存在有多个，所以将y和u以必要的输入输出数值的向量表示时，如下 y＝[ym1 ym2 ym3 ym4 ym5 yd1 yd2]T u＝[u1 u2 u3 u4 u5]T (式2)为 其中，ny＝7，nu＝5。
并且，θ＝[P1…Pn Q1…Qn]， φ(k)＝[-y(k-1)…-y(k-n)u(k-1)…u(k-n)]T …(式3) y(k)＝θφ(k)+e(k)…(式4) 这里，由于如图4所示可以得到温度检测值ym1～ym5、内壁温度检测值yd1、yd2和电力指令值u1～u5三者的关系，所以将该三者的测定值的离散值输入到运算软件Matlab中，就可以求出Pi与Qi的值，并能求出θ，得到式4。表1是表示三者的测定值的离散值的一例。
表1 接着，由ARX模型，从被同定的参数向量θ，得到以下的状态空间模型。
x(k+1)＝Ax(k)+Bu(k) (式5) y(k)＝Cx(k) (式6) 如上述，k是计算机中数据抽样的时刻，k＝1、2、...。A是系统行列式(n×n)，B是控制行列式(n×5)，C是输出行列式(7×n)。从ARX模型向状态空间行列式的变换，利用MATLAB的“systemIdentification Toolbox”提供的函数而求得。根据这样所得到的状态空间模型，可以由加热器输出(电力指令值)，得到内壁温度检测值yd1、yd2、外部温度传感器TC1～TC5的温度检测值ym1～ym5的各预测值。
在本发明中，可以仅求出内壁温度检测值yd1、yd2的预测值，但在该例中也使用了外部温度传感器TC1～TC5的温度检测值ym1～ym5的各预测值，如以下所述，能够使内壁温度检测值yd1、yd2的预测精度更高。在以下的说明中，作为各温度检测值的预测值的符号赋予“^”。由此，温度检测值ym的预测值为ym^，温度检测值yd的预测值为yd^。
这样，由预测单元50，进行式5和式6的运算，可以得到内壁温度的预测值yd1^和yd2^。图5是表示将立式热处理装置的本体模块化，通过对加热器31～35供给电力，即通过向电源部41～45给予电力指令值，从符号300所示的装置本体的外部温度传感器TC1～TC5而输出温度检测值ym1～ym5的状态，以及将预测单元50模块化，通过向预测单元50输入电力指令值u1～u5而输出内壁温度的预测值的状态的框图。另外，图5所示的电力指令值运算部6，在后面进行说明。
继续对预测单元50进行说明，图5的模块A、B、C分别与式5、式6的系数A、B、C相对应，在模块A中执行Ax(k)的运算，在模块B中执行Bu(k)的运算，在模块C中执行Cx(k)的运算。在式5、式6中，u(k)将抽样的时刻k(第k)的电力指令值u1～u5进行一起表示，y(k)将时刻k的外部温度传感器TC1～TC5的温度检测值的预测值ym1^～ym5^和内壁温度的检测值yd1^、yd2^进行一起表示。并且，在图5中，301、51是加法运算部，302、52是初期值输入部。
另外，在该实施方式中，预测单元50由加法运算部53取出外部温度传感器TC1～TC5的温度检测值的预测值ym1^～ym5^与从装置本体300输出的温度检测值(实测值)ym1～ym5的差，关于该差，由模块D进行规定的运算，例如进行基于卡尔曼滤波(Kalman filter)的运算，从Ax(k)+Bu(k)减去该运算值。就是说，在该例中，式5可以表示为， x(k+1)＝Ax(k)+Bu(k)-DΔy(k) (式7) 图5中的各部的输入输出值是用行列式表示的值，由加法运算部53得到的输出Δy，即由ym1^-ym1、ym2^-ym2、ym3^-ym3、ym4^-ym4、ym5^-ym5的各值构成的行列式所表示的值，而且，D例如是控制行列式(5×n)。
另外，在本发明中，可以不考虑Δy，基于式5，即基于加法运算部53和不包括模块D的模块，求出内壁温度的预测值yd1^、yd2^，但是如果考虑到由外部温度传感器TC1～TC5实际得到的温度检测值(实测值)ym1～ym5与其预测值ym1^～ym5^的差，则能够使预测运算与实际装置中发生的现象相吻合，能够进一步提高内壁温度的预测精度，因此优选。
在该例中，为了进行内管1a的内壁温度的预测，预先在2处分别安装内壁温度传感器201和202，取得数据，在运用时恰似利用这些内壁温度传感器201和202进行控制，完成内壁的温度检测，这样，预测内壁温度的部位是装载时在内管1a的内壁温度与外部温度传感器的温度检测值之间具有以控制产生不合适的程度的温度差的部位。所谓以控制产生不合适的程度是指以该温度差为原因，其结果使内管1a的内壁温度不稳定，引起膜剥离的程度。
所以，对于几乎没有上述温度差的部位，以外部温度传感器的温度检测值(实测值)作为控制对象，不会产生不合适，所以进行内壁温度的预测是没有意义的。因此在该例中仅针对上述温度差大的区域设置的第一段～第三段的外部温度传感器TC1～TC3，在对应的部位预先设置内壁温度传感器(外部温度传感器TC2、TC3兼作内壁温度传感器202)，如上所述，由基于取得的数据而制作的预测模型，对内壁温度进行预测，如下所述，其预测温度代替外部温度传感器TC1～TC3的检测值，或者二者混合，而进行温度控制。
这样，由于内壁温度传感器设置于上述温度差大的部位，所以其位置和个数并不限于上述的例子，可以是1个，也可以是3个以上。
接着对控制部5内的电力指令值运算部(电力控制单元)6加以说明。在该电力指令值运算部6中，在与加热器31～35相对应的电力控制系统的5个通道(channel)中，分别设置PID运算部61～65。PID运算部61～65通常输入内管1a内各温度控制区域的温度设定值和温度检测值，根据其偏差而向对应的电源部41～45输出电力指令值。但是，在该实施方式中，作为与第一段到第三段的温度控制区域(加热器31～33所担当的温度控制区域)相对应的温度检测值，对于第一段的通道(第一段的加热器31的温度控制中的PID运算部61的输入侧)，将应该相当于从第一段的内壁温度传感器201所得到的温度检测值的预测值yd1^的比率作为r(0≤r≤1)，并且，将第一段外部温度传感器TC1的温度检测值的比率为(1-r)，采用二者混合而得到的混合值[yd1·r+ym1·(1-r)]。
而且，对于第二段和第三段的通道，将应该相当于从第二段的内壁温度传感器202所得到的温度检测值的预测值yd2^的比率作为r(0≤r≤1)，并且，将第二段外部温度传感器TC2的温度检测值(或者第三段外部温度传感器TC2的温度检测值)的比率作为(1-r)，采用二者混合而得到的混合值[yd2·r+ym2·(1-r)]。另外，在第三段的通道中，上述混合值为[yd2·r+ym3·(1-r)]。另外，第四段和第五段的各通道，与现有的温度控制同样，将由外部温度传感器TC4、TC5得到的各温度检测值看作内管1a的温度，直接作为温度检测值而使用。
上述比率r由控制部5内的比率运算部7进行运算。图6的纵轴表示比率r，横轴表示采用从装载开始时的经过时间的比率随时间的变化。从该特性图可知，比率r，从装载开始时至经过一定时间(搭载初期时)为1(100％)，从途中的某一时刻t1逐渐变小，在装载结束的时刻(由盖体11封闭炉口的时刻)(装载结束时)为0(0％)。即，作为输入到PID运算部61～63的温度检测值，从装载开始至某一时刻t1使用上述内壁温度的预测值yd1^(yd2^)，从途中代替预测值yd1^(yd2^)，增加外部温度传感器TC1～TC3的实测值ym1～ym3的比例，在装载结束时由实测值ym1～ym3而执行温度控制。
这样，不是将控制对象快速地从内壁温度的预测值yd1^(yd2^)切换到外部温度传感器TC1～TC3的实测值ym1～ym3，而是缓慢地过渡的理由是，在装载结束后，上述实测值ym1～ym3尚未上升到与内壁温度相吻合的温度，所以突然进行控制对象的切换，则装载结束后对加热器31～33供给的电力就会过大，即发生过调节。
因此，在该实施方式中，预测热交换结束时刻，调整使比率r从1减少的时刻，所谓该热交换结束时刻是指内壁温度传感器201和202的温度检测值从下降状态向上升转换的时刻。在炉体下方侧的晶片搬送区域内的温度或Run时间而引起的初期值变动(晶片或绝热单元(保温筒)16的初期温度变动)中，由于热传导速度不变化，所以没有必要具有多个预测模型。但是，由于热能的总量变化，所以在时间系列中对比率r进行最优化的情况下，就必须考虑该参数的热交换结束时刻。为了与初期值变动相对应，如图1所示，在盖体11与晶舟17之间设置的热容量大的绝热单元16的附近，设置成为端部温度检测器的作为底部温度检测部的底部温度传感器BTC，考虑该温度检测值的情况下的比率r的运算方法的一例示于图7。上述底部温度传感器BTC例如由热电偶构成，安装于在盖体11立起设置的杆的先端部。将底部温度传感器BTC的实测温度作为yb增加于设备输出，但并非一定成为控制对象，严格地讲仅作为比率r的时间系列变化的触发而发挥作用。
在装载开始时，即晶舟17在下限位置时底部温度传感器BTC的初期温度ybf与第一段的外部温度传感器TC1的初期温度ym1的温度差相互不同的多个条件下，测定热交换结束时刻，定义图7的热交换结束时刻导出函数kb(ybt，s)。这里所谓“不同的多个条件”是指绝热单元16(例如保温筒)的初期温度不同的多个条件，绝热单元16的初期温度不同有将晶舟17从反应管搬出后的经过时间不同的情况。
首先，每单位温度的时刻变化量为kbt时，热交换结束时刻kb，可以表示如下 kb＝kbtybt kb(ybt)的输入是温度差(ybt＝ym1-yb)。实际上，每单位温度的时刻变化量kbt需要对每个被运用的搬入速度进行设置，因此以2个条件的搬入速度测定时刻变化量，中间值以线性插补而覆盖。为了与晶舟17的搬入速度相对应，在输出中增加搬入速度(s)，求出kbt(s)。
kbt(S)＝ks(s-s0)+ks0 s0是基础条件中晶舟17的搬入速度，ks0是基础条件的每单位温度的时刻变化量。由此，热交换结束时刻导出函数kb(ybt，s)如下式表示。这里所谓基础条件是指上述2个条件的搬入速度中任一方的条件。
kb(ybt，s)＝kbt(s)ybt 将这样求得的时刻(kb)，作为外部温度传感器TC1～3的实测值ym1、(ym1、ym3)与内壁的温度预测值yd1^(yd2^)的混合开始时刻，由图7的r(kb，k)在时刻(k＞kb)的条件下缓慢下降r。
控制部5实际上例如由包括CPU、存储程序的ROM和存储温度设定值的存储器等的计算机构成，另外，关于温度控制的上述一系列运算处理可以由程序进行软件处理，图2模式地记载图象构成。上述程序可以存储在存储介质5a例如软磁盘(FD)、存储卡、微型光盘(CD)、磁光盘(MO)和硬盘等中，安装在作为控制部5的计算机上。
接着，对上述实施方式的作用加以说明。首先，在进行晶片W的热处理的运用之前，在内管1a的下部区域的内壁上安装内壁温度传感器201和202，进行装载，取得温度检测值ym1～ym5、内壁温度检测值yd1、yd2和向加热器31～35供给的电力(电力指令值)三者的关系。通过将三者的离散值输入到计算机，求出ARX的预测式的式1的系数，得到式4，基于该式而得到状态空间模式的式5、式6。这些运算是通过输入上述离散值、由计算机的软件进行。
这样，在能够预测内壁温度的状态下对控制部5进行热处理的运用。在进行热处理时，在包括内管1a和总管23等的炉体的下方侧，在晶舟17上移载作为基板的多个晶片W并以搁板状保持，使晶舟升降机12上升，将晶舟17搬入反应容器内(装载)。此时，内管1a内的温度例如设定为650℃。搭载有大气中的冷晶片W的晶舟17从总管23的下端开口部(炉口)通过总管23而进入内管1a内时，内管1a的下部侧的内壁温度会明显地降温，但随着晶舟17的上升，对晶舟17和晶片W进行加热。因此，内管1a的内壁中，由第一段到第三段的加热器31～33所加热的区域的内壁的降温程度较大，但在更以上的部位，降温程度很小。
在内管1a与外管1b之间设置的外部温度传感器TC1～TC5中，与降温程度大的区域相对应的外部温度传感器TC1～TC3，不追随实际内壁温度的降温模式(pattern)，成为稍高的温度，在进行装载期间，在该例中装载开始后直到上述的规定时间的期间，将控制对象，基于各段的电力指令值，在该例中适用状态空间模式的式7，作为预测的内壁的温度预测值yd1^(yd2^)(第一步骤)。即，输入到与第一段到第三段的加热器31～33相对应的PID运算部61～63的温度检测值，作为温度预测值yd1^(yd2^)，对温度预测值yd1^(yd2^)与温度设定值的偏差进行PID运算，输出电力指令值。因此，即使由冷晶片W进入而引起内管1a的内壁温度发生大的降温，但由于能够向加热器31～33供给与该内壁温度的变化相吻合的电力，所以作为温度控制的结果，能够抑制内壁温度的变动。另外，内壁的温度下降的程度小，因此根据外部温度传感器TC4、TC5的温度检测值，进行第四段和第五段的加热器34、35的电力控制，由此能够充分发挥抑制内壁温度的变动的功能。
另外，在装载开始后经过上述的规定时间后，作为输入到PID运算部61～63的温度检测值，外部温度传感器TC1～TC3的温度检测值(实测值)ym1、ym2、ym3的比率缓慢增大(过渡步骤)，换言之，内壁的温度预测值yd1^(yd2^)的比率缓慢减小，装载结束后，作为上述实测值ym1、ym2、ym3，进行加热器31～33的温度控制(第二步骤)。此时，根据底部温度传感器BTC和外部温度传感器TC1的差、以及与此时的晶舟17的搬送速度相对应的每单位温度的时刻变化量，由控制部5内的单元5b求出过渡步骤的开始时刻。
接着，在内部温度稳定在目标温度的工序温度后，实际上从2个系统的气体供给管24分别向内管1a内供给规定的处理气体例如成膜气体的二氯硅烷气体和氨气，同时由未图示的真空泵通过排气管25维持在规定的真空度，一边由驱动部13使晶舟17旋转，一边对晶片W进行热处理的成膜处理，在晶片W上形成氮化硅膜。之后，减小温度的设定值，反应容器内降温，晶舟升降机12下降，搬出晶舟17。
根据上述实施方式，在晶片W的装载时，由前面进行的工序能够抑制对于堆积在内管1a的内壁上的薄膜的热应力，所以能够抑制剥离，其结果能够降低颗粒污染。而且，在装载时不是将控制对象很快地从内壁的温度预测值yd1^(yd2^)切换到外部温度传感器TC1～TC3的温度检测值(实测值)ym1、ym2、ym3，而是设置二者混合的时间带，缓慢地切换成后者，因此在装载结束，由盖体11封闭炉口之后，能够抑制内壁温度大大超过设定温度，其后收敛于设定温度的现象(即过调节)的发生，能够迅速地将热处理气氛稳定于目标温度。即，能够极力抑制使用装载时的内壁的温度预测值yd1^(yd2^)的弊病。
本发明的热处理装置，也可以适用于在基板上形成氮化硅膜以外的薄膜的情况。而且，上述热处理装置，由内管和外管的二重管结构构成炉体，但也可以由单管构成。在这种情况下，单管相当于反应管，外部温度传感器设置在单管的外侧。
进而，在上述例中，装载时，将控制对象从内壁的温度预测值过渡到外部温度传感器的温度检测值(实测值)的过渡步骤，也不限于比率r直线性地缓慢减小，也可以是阶段状例如1阶段或2阶段以上地减小。另外，即使在将内壁的温度预测值作为主要控制的第一步骤中，比率r不是100％，在将外部温度传感器的温度检测值作为主要控制的第二步骤中，比率r不是0％，也应该包含在本发明的技术范围内。
权利要求
1.一种热处理装置，其特征在于，
包括
具有炉口的反应管；
设置在反应管的周围的加热单元；
相互平行地保持多个基板的基板保持器具；
向反应管内导入处理气体，并对基板进行热处理的处理气体导入单元；
设置在反应管的外部的外部温度检测部；
向加热单元供给电力的电源；和
控制电源的控制部，
控制部包括
根据向加热单元供给的电力的指令值，对反应管的内壁温度进行预测的预测单元；和
根据利用所述外部温度检测部检测出的温度检测值和利用所述预测单元预测出的内壁温度，对向加热单元供给的电力进行控制的电力控制单元。
2.如权利要求1所述的热处理装置，其特征在于，
所述电力控制单元包括用于执行以下步骤的电力指令值运算部
第一步骤，在将所述基板保持器具搬入反应管内的装载初期时，以所述内壁温度的预测值yd作为主要控制对象，对向加热单元供给的电力的指令值进行运算；和
第二步骤，在装载末期时，以所述外部温度检测部的检测值ym作为主要控制对象，对向加热单元供给的电力的指令值进行运算。
3.如权利要求2所述的热处理装置，其特征在于，
所述第一步骤是将利用所述预测单元求得的内壁温度的预测值yd和所述外部温度检测部的检测值ym，按照比率r，混合为yd·r+ym·(1-r)，其中，0≤r≤1，根据将比率r设定得较大的混合值和反应管内的设定温度，对所述电力的指令值进行运算的步骤；
所述第二步骤是将利用所述预测单元求得的内壁温度的预测值yd和所述外部温度检测部的检测值ym，按照比率r，混合为yd·r+ym·(1-r)，其中，0≤r≤1，根据将比率r设定得较小的混合值和反应管内的设定温度，对所述电力的指令值进行运算的步骤。
4.如权利要求3所述的热处理装置，其特征在于，
所述第一步骤中的比率r为100％。
5.如权利要求3或4所述的热处理装置，其特征在于，
所述第二步骤中的比率r为0％。
6.如权利要求3所述的热处理装置，其特征在于，
所述电力指令值运算部，在所述第一步骤与第二步骤之间，执行用于抑制装载结束时反应管内过度的温度上升，将所述比率r设定为两步骤的比率之间的值，对电力的指令值进行运算的过渡步骤。
7.如权利要求6所述的热处理装置，其特征在于，
所述过渡步骤的比率r随时间而缓慢减小。
8.如权利要求6所述的热处理装置，其特征在于，
在所述盖体与基板保持器具之间设置有绝热材料，在绝热材料的附近设置有端部温度检测部，
控制部包括根据基板保持器具被搬出时的所述端部温度检测部与外部温度检测部的各温度检测值的差、和与此时的基板保持器具的搬入速度相对应的每单位温度的时刻变化量，来决定过渡步骤的开始时刻的单元。
9.如权利要求1所述的热处理装置，其特征在于，
在反应管的内壁上安装有内壁温度检测部，
控制部内置有内壁温度检测部的检测值和向加热单元供给的电力的指令值的各时间系列数据，
预测单元根据这些时间系列数据，制作用于规定内壁温度检测部的检测值与所述电力的指令值的关系的预测运算式，使用该预测运算式，对反应管的内壁温度进行预测。
10.如权利要求1所述的热处理装置，其特征在于，
控制部内置有外部温度检测部的检测值和向加热单元供给的电力的指令值的各时间系列数据，
预测单元根据这些时间系列数据，制作用于规定所述外部温度检测部的检测值与所述电力的指令值的关系的预测运算式，并根据该预测运算式和所述电力的指令值，求出所述外部温度检测部的温度检测值的预测值，基于该预测值与实际得到的温度检测值的差，对所述反应管的内壁温度的预测值进行修正。
11.一种热处理方法，使用热处理装置对基板进行热处理，其特征在于，
所述热处理装置包括
具有炉口的反应管；
设置在反应管的周围的加热单元；
相互平行地保持多个基板的基板保持器具；
向反应管内导入处理气体，并对基板进行热处理的处理气体导入单元；
设置在反应管的外部的外部温度检测部；
向加热单元供给电力的电源；和
控制电源的控制部，
控制部包括
根据向加热单元供给的电力的指令值，对反应管的内壁温度进行预测的预测单元；和
根据利用所述外部温度检测部检测出的温度检测值和利用所述预测单元预测出的内壁温度，对向加热单元供给的电力进行控制的电力控制单元，
该热处理方法包括
通过设置在反应管的外部的外部温度检测部，对温度进行检测的工序；
根据向加热单元供给的电力的指令值，通过控制部的预测单元，对反应管的内壁温度进行预测的预测工序；和
根据利用所述外部温度检测部检测出的温度检测值和利用所述预测单元预测出的内部温度，通过控制部的电力控制单元，对向加热单元供给的电力进行控制的工序。
12.如权利要求11所述的热处理方法，其特征在于，
对向所述加热单元供给的电力进行控制的工序包括以下工序
第一工序，在将所述基板保持器具搬入所述反应管内的装载时，以所述内壁温度的预测值yd作为主要控制对象，对向加热单元供给的电力的指令值进行运算；和
第二工序，在装载结束后，以所述外部温度检测部的检测值ym作为主要控制对象，对向加热单元供给的电力的指令值进行运算。
13.如权利要求12所述的热处理方法，其特征在于，
所述第一工序是将利用所述预测单元求得的内壁温度的预测值yd和所述外部温度检测部的检测值ym，按照比率r，混合为yd·r+ym·(1-r)，其中，0≤r≤1，根据将比率r设定得较大的混合值和反应管内的设定温度，对所述电力的指令值进行运算的工序，
所述第二工序是将利用所述预测单元求得的内壁温度的预测值yd和所述外部温度检测部的检测值ym，按照比率r，混合为yd·r+ym·(1-r)，其中，0≤r≤1，根据将比率r设定得较小的混合值和反应管内的设定温度，对所述电力的指令值进行运算的工序。
14.如权利要求13所述的热处理方法，其特征在于，
将所述比率r设定得较大的第一工序中的比率r为100％。
15.如权利要求13所述的热处理方法，其特征在于，
将所述比率r设定得较小的第二工序中的比率r为0％。
16.如权利要求13所述的热处理方法，其特征在于，
在所述第一工序与第二工序之间，包括用于抑制装载结束时反应管内过度的温度上升，将所述比率r设定为两工序的比率之间的值，对电力的指令值进行运算的过渡工序。
17.如权利要求16所述的热处理方法，其特征在于，
所述过渡工序的比率r随时间而缓慢减小。
18.如权利要求17所述的热处理方法，其特征在于，
在所述盖体与基板保持器具之间设置有绝热材料，在绝热材料的附近设置有端部温度检测部，
控制部根据基板保持器具被搬出时的所述端部温度检测部与外部温度检测部的各温度检测值的差、和与此时的基板保持器具的搬入速度相对应的每单位温度的时刻变化量，来决定使所述比率r缓慢减小的开始时间。
19.如权利要求13所述的热处理方法，其特征在于，
在反应管的内壁上安装有内壁温度检测部，
控制部内置有内壁温度检测部的检测值和向加热单元供给的电力的指令值的各时间系列数据，
由预测单元，根据这些时间系列数据，制作用于规定内壁温度检测部的检测值与所述电力的指令值的关系的预测运算式，
所述预测工序使用该预测运算式对反应管的内壁温度进行预测。
20.如权利要求19所述的热处理方法，其特征在于，
控制部内置有外部温度检测部的检测值和向加热单元供给的电力的指令值的各时间系列数据，
由预测单元，根据这些时间系列数据，制作用于规定所述外部温度检测部的检测值与所述电力的指令值的关系的预测运算式，所述预测工序根据该预测运算式和所述电力的指令值，求出所述外部温度检测部的检测值的预测值，基于该预测值与实际得到的检测值的差，对所述反应管的内壁温度的预测值进行修正。
21.一种计算机程序，用于使计算机执行使用热处理装置对基板进行热处理的热处理方法，其特征在于，
所述热处理装置包括
具有炉口的反应管；
设置在反应管的周围的加热单元；
相互平行地保持多个基板的基板保持器具；
向反应管内导入处理气体，并对基板进行热处理的处理气体导入单元；
设置在反应管的外部的外部温度检测部；
向加热单元供给电力的电源；和
控制电源的控制部，
控制部包括
根据向加热单元供给的电力的指令值，对反应管的内壁温度进行预测的预测单元；和
根据利用所述外部温度检测部检测出的温度检测值和利用所述预测单元预测出的内壁温度，对向加热单元供给的电力进行控制的电力控制单元，
该热处理方法包括
通过设置在反应管的外部的外部温度检测部，对温度进行检测的工序；
根据向加热单元供给的电力的指令值，通过控制部的预测单元，对反应管的内壁温度进行预测的预测工序；和
根据利用所述外部温度检测部检测出的温度检测值和利用所述预测单元预测出的内部温度，通过控制部的电力控制单元，对向加热单元供给的电力进行控制的工序。
22.一种存储介质，存储有使计算机执行使用热处理装置对基板进行热处理的热处理方法的计算机程序，其特征在于，
所述热处理装置包括
具有炉口的反应管；
设置在反应管的周围的加热单元；
相互平行地保持多个基板的基板保持器具；
向反应管内导入处理气体，并对基板进行热处理的处理气体导入单元；
设置在反应管的外部的外部温度检测部；
向加热单元供给电力的电源；和
控制电源的控制部，
控制部包括
根据向加热单元供给的电力的指令值，对反应管的内壁温度进行预测的预测单元；和
根据利用所述外部温度检测部检测出的温度检测值和利用所述预测单元预测出的内壁温度，对向加热单元供给的电力进行控制的电力控制单元，
该热处理方法包括
通过设置在反应管的外部的外部温度检测部，对温度进行检测的工序；
根据向加热单元供给的电力的指令值，通过控制部的预测单元，对反应管的内壁温度进行预测的预测工序；和
根据利用所述外部温度检测部检测出的温度检测值和利用所述预测单元预测出的内部温度，通过控制部的电力控制单元，对向加热单元供给的电力进行控制的工序。
全文摘要
本发明提供一种立式热处理装置，实现装载时反应管的内壁的温度稳定化，抑制例如附着在内壁上的膜剥落，减少颗粒污染。使用该热处理装置的热处理方法，预先在反应管的内壁上安装内壁温度传感器，求得内壁温度传感器的检测值和向加热单元供给的电力的指令值的各时间系列数据。根据装载初期时这些数据，由之前的电力的指令值，预测内壁温度，以该内壁温度的预测值作为控制对象。并且，在装载末期时，将控制对象缓慢地过渡到设置于反应管外的温度检测部的温度检测值，将该温度检测值作为控制对象。
文档编号H01L21/22GK101127298SQ200710141870
公开日2008年2月20日 申请日期2007年8月15日 优先权日2006年8月15日
发明者片冈勇树, 东条行雄 申请人:东京毅力科创株式会社