JP2013168499A - 温度調整方法及び熱処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】処理室の温度制御に対するウエハの状態による影響を抑制することができる温度調整方法及び熱処理装置を提供する。
【解決手段】温度調整方法は、ウエハ２を処理する処理室１４８の温度を第一の位置で検出し、第一の位置よりも処理室１４８内のウエハ２から近く且つ処理室１４８を加熱するヒータ１３２から遠い第二の位置で、この処理室１４８の温度を検出し、予め定められる設定値Sと第二の位置で検出される制御量Aとから目標値Wを算出し、目標値Wをウエハ２の状態に応じて調整し、調整された目標値と第一の位置で検出される制御量Bとからヒータ１３２に出力する操作量Zを算出する。
【選択図】図１０

Description

本発明は、温度調整方法及び熱処理装置に関する。

半導体製造装置では、処理室を適切な温度とするよう温度制御を行なっている。この温度制御に適用する温度プロファイルや温度波形等は、表面に膜が形成されていないベアウエハを用いて取得される場合がある。

特許文献１には、熱処理装置における加熱手段の制御において、加熱制御部により、第一の温度検出手段による検出温度が第一の温度設定条件で積分演算、微分演算および比例演算を行って得られた第一の出力制御パターンに基づき制御する際の、第二の温度検出手段により検出される検出温度の昇温開始時から最大温度時までの間の熱量を求め、該熱量の中から前記比例演算による出力分を差し引いた熱量を用いて第二の出力制御パターンを求める工程と、次回に温度制御する際の第二の温度設定条件が前記第一の温度設定条件のうち少なくとも一つの条件が異なる場合には、前記第二の出力制御パターンを用いて前記異なる条件の部分を修正する修正工程と、を有する温度調整方法が開示されている。

特許文献２には、反応管をヒータで加熱しつつ、排気部に冷却ガス排気装置により冷却ガスを流し、排気部の圧力値に基づいて、制御部によりヒータと冷却ガス排気装置とを制御してウエハを処理する工程と、ウエハの周縁部の温度を検出する熱電対の測定値と、ウエハの中心部の温度を検出する中心部熱電対の測定値を取得して量測定値の偏差を求め、ウエハの処理を行う前に、予め記憶された偏差と両測定値の偏差とを比較し、予め記憶された偏差と量測定値の偏差とが異なる場合には、反応管における圧力値を補正する工程と、を有する基板処理方法が開示されている。

国際公開第２００７／１０２４５４号 特開２００８−２０５４２６号公報

しかしながら、製品の製造工程中のウエハの表面は成膜処理等の加工がなされており、ベアウエハとその状態が異なる。このため、ウエハの状態の相違が処理室の温度制御に影響し、温度安定性が低下する場合があった。

本発明は、処理室の温度制御に対するウエハの状態による影響を抑制することができる温度調整方法及び熱処理装置を提供することができる。

本発明の第１の特徴とするところは、基板を処理する処理室の温度を第一の位置で検出し、第一の位置よりも前記処理室内の基板から近く且つ前記処理室を加熱する加熱装置から遠い第二の位置で、前記処理室の温度を検出し、予め定められる設定値と第二の位置で検出される検出値とから目標値を算出し、目標値を基板の状態に応じて調整し、調整された目標値と第一の位置で検出される検出値とから前記加熱装置に出力する操作量を算出する温度調整方法にある。

本発明の第２の特徴とするところは、基板を処理する処理室と、前記処理室を加熱する加熱装置と、前記加熱装置を制御する加熱制御部と、前記処理室の温度を検出する第一の温度検出部と、前記第一の温度検出部よりも前記処理室内の基板から近く且つ前記加熱装置から遠い位置に設けられ、前記処理室の温度を検出する第二の温度検出部と、を有し、前記加熱制御部は、予め定められる設定値と前記第二の温度検出部の検出値とから得られる目標値を基板の状態に応じて調整し、この調整された目標値と前記第一の温度検出部の検出値とから前記加熱装置に出力する操作量を算出する熱処理装置にある。

本発明によれば、処理室の温度制御に対するウエハの状態による影響を抑制することができる温度調整方法及び熱処理装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に用いられる基板処理装置の制御構成のブロック図である。 本発明の一実施形態に用いられる基板処理装置の斜視図である。 本発明の一実施形態に用いられる基板処理装置の側面透視図である。 本発明の一実施形態に用いられる熱処理装置の概略構成図である。 本発明の一実施形態に用いられるPID制御部の構成のブロック図である。 本発明の一実施形態に用いられるパターン出力部によるパターン制御の例示である。 ベアウエハに対して調節したパラメータKi、Kp、KdをPID演算に用いたときの第二の温度センサ１７０により検出された温度波形の比較結果である。 加工ウエハに対して調節したパラメータKi'、Kp'、Kd'をPID演算に用いたときの第二の温度センサ１７０により検出された温度波形の比較結果である。 ベアウエハに対して調節したパラメータKi、Kp、KdをPID演算に用いたときの第一の温度センサ１４０により検出された温度波形の比較結果である。 本発明の一実施形態に用いられる温度制御部による制御動作のフローチャートである。

本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る基板処理装置１０の制御構成のブロック図を示す。
図２は、基板処理装置１０の斜視図を示す。
図３は、基板処理装置１０の側面透視図を示す。

図１に示すように、基板処理装置１０は、この基板処理装置１０全体の制御を操作するコントローラ２００を有する。コントローラ２００は、操作者との間で情報の授受を行うUI(ユーザーインターフェース)部２０２と、主制御部２０４とを備え、この主制御部２０４には、搬送制御部２１２、ガス流量制御部２１４、温度制御部２１６、圧力制御部２１８、及び駆動制御部２２０が接続されている。

図２、３に示すように、基板処理装置１０は、半導体装置（IC）の製造方法における処理工程を実施する半導体装置の製造装置として構成される。基板処理装置１０は、例えば、基板としてのウエハ２に酸化処理や拡散処理、CVD処理等を行う縦型の装置である。

基板処理装置１０は、主要部が配置される筺体１２を有する。基板処理装置１０では、例えばシリコン（Si）からなるウエハ２を収納する基板収容器としてのFOUP（以下、「ポッド」と称す）４がウエハキャリアとして使用される。

筺体１２の正面壁１２ａには、ポッド搬入搬出口１４が筺体１２の内外を連通するように開設されている。ポッド搬入搬出口１４は、フロントシャッタ１６によって開閉されるようになっている。
ポッド搬入搬出口１４の正面前方側には、ロードポート１８が設置されている。ロードポート１８は、ポッド４が載置され、載置されたポッド４の位置合わせを行うように構成されている。ポッド４は、工程内搬送装置（非図示）とロードポート１８との間で授受される。

筺体１２内の前後方向の略中央上部には、回転式ポッド棚２０が設置されている。回転式ポッド棚２０は、垂直に立設され水平面内で間欠回転される支柱２２と、この支柱２２に例えば上下3段の各位置において放射状に支持された複数枚の棚板２４とを備えている。棚板２４はそれぞれ、ポッド４を複数個載置した状態で保持するように構成されている。
回転式ポッド棚２０は、複数個のポッド４を保管するように構成されている。

筺体１２内のロードポート１８と回転式ポッド棚２０との間には、ポッド搬送装置３０が設置されている。ポッド搬送装置３０は、ポッド４を保持したまま昇降可能なポッドエレベータ３０ａと、ポッド４を支持するポッド搬送機構３０ｂとで構成されている。
ポッド搬送装置３０は、ポッドエレベータ３０ａとポッド搬送機構３０ｂとの連続動作により、ロードポート１８、回転式ポッド棚２０、及び後述するポッドオープナ３６これらの間で、ポッド４を搬送する。

筺体１２内の前後方向の略中央下部には、副筺体３２が後端にわたって構築されている。
副筺体３２の正面壁３２ａには、ウエハ２をこの副筺体３２内外に搬入搬出するウエハ搬入搬出口３４が、例えば垂直方向に上下2段に並べて開設されている。ウエハ搬入搬出口３４にはそれぞれ、ポッドオープナ３６が設置されている。
副筺体３２は、ポッド搬送装置３０や回転式ポッド棚２０が設置された空間から流体的に隔絶された移載室４２を構成する。

ポッドオープナ３６は、ポッド４を載置する載置台３８と、ポッド４のキャップ（蓋体）を着脱するキャップ着脱機構４０とを備えている。ポッドオープナ３６は、載置台３８に設置されたポッド４のキャップをキャップ着脱機構４０によって着脱することにより、ポッド４のウエハ出し入れ口を開閉するように構成されている。

移載室４２内の前側領域には、ウエハ移載機構５０が設置されている。ウエハ移載機構５０は、ウエハ２を水平方向で回転あるいは直動可能なウエハ移載装置５２と、ウエハ移載装置５２を昇降させるためのウエハ移載装置エレベータ５４とで構成されている。
ウエハ移載機構５０は、ウエハ移載装置５２のツイーザ５８をウエハ２の載置部として、基板保持具であるボート６０にウエハ２を装填（チャージング）、あるいはこのボート６０からウエハ２を脱装（ディスチャージング）する。
ボート６０は、複数本の保持部材を備えており、複数枚（例えば50 〜 125枚程度）のウエハ２をその中心を揃えて垂直方向に整列した状態で、水平に保持するように構成されている。

ポッド搬送装置３０やポッドオープナ３６、ウエハ移載機構５０等には、搬送制御部２１２（図１参照）が電気的に接続されており、この搬送制御部２１２は、これらが所望の動作をするよう所望のタイミングで制御する。

移載室４２のウエハ移載装置エレベータ５４と対向する反対側には、クリーンユニット６４が設置されている。クリーンユニット６４は、供給ファン及び防塵フィルタで構成され、清浄化した雰囲気や不活性ガス等であるクリーンエアを供給する。
クリーンユニット６４とウエハ移載装置５２との間には、ウエハ２の円周方向の位置を整合させる基板整合装置としてのノッチ合わせ装置６６が設置されている。

クリーンユニット６４から吹き出されたクリーンエアは、ウエハ移載装置５２、ノッチ合わせ装置６６を通り、移載室４２の対向する側に配置されたウエハ移載装置エレベータ５４、ボートエレベータ７４等に流通された後、排気部（非図示）に吸い込まれ筺体１２の外部に排気される。
あるいは、クリーンユニット６４から吹き出されたクリーンエアは、排気部から排気される替わりに、クリーンユニット６４の吸い込み側である一次側（供給側）にまで循環され、再びクリーンユニット６４によって移載室４２内に吹き出されるようになっている。

移載室４２内の後側領域上方には、熱処理装置７０が設けられている。熱処理装置７０の下端部は、炉口シャッタ７２により開閉されるようになっている。

熱処理装置７０の下方には、ボートエレベータ７４が設置されている。
ボートエレベータ７４のアームには、炉口蓋体としてのシールキャップ７６が水平方向に据え付けられている。シールキャップ７６は、例えばステンレス等の金属からなり、円盤状に形成されている。
シールキャップ７６は、ボート６０を垂直に支持し、熱処理装置７０の下端部を閉塞するように構成されている。シールキャップ７６がボートエレベータ７４によって垂直方向に昇降されることで、ボート６０が昇降される。

次に、熱処理装置７０の詳細について説明する。

図４は、熱処理装置７０の概略構成図を示す。
熱処理装置７０は、加熱機構としてのヒータ１３２を有する。ヒータ１３２は円筒形状であり、保持板としてのヒータベース１３４に支持されることにより垂直に据え付けられている。ヒータ１３２は、例えば上下方向に対して複数の領域（ゾーン）に分割されて構成されており、それぞれのゾーンごとに加熱温度を制御するようになっている。

ヒータ１３２の内側には、温度を検出する温度検出器としての第一の温度センサ１４０が設置されている。第一の温度センサ１４０は、例えばカスケード熱電対により構成される。第一の温度センサ１４０は、ヒータ１３２の複数のゾーンそれぞれに対応する位置で温度を検出するように、複数の検出点を備える。

第一の温度センサ１４０の内側には、ヒータ１３２と同心円状に反応管としてのプロセスチューブ１４２が配設されている。プロセスチューブ１４２は、内部反応管としてのインナーチューブ１４４と、その外側に設けられた外部反応管としてのアウターチューブ１４６とから構成されている。

インナーチューブ１４４は、例えば石英（SiO₂）や炭化シリコン（SiC）等の耐熱性材料からなり、上端及び下端が開口した円筒形状に形成されている。
インナーチューブ１４４の筒中空部に、ウエハ２を処理する処理室１４８が形成される。処理室１４８は、ボート６０によってウエハ２を水平姿勢で垂直方向に多段に整列した状態で収容するよう構成されている。

アウターチューブ１４６は、例えば石英あるいは炭化シリコン等の耐熱性材料からなる。アウターチューブ１４６は、内径がインナーチューブ１４４の外径よりも大きく、上端が閉塞し下端が開口した円筒形状に形成されており、インナーチューブ１４４と同心円状に設けられている。

アウターチューブ１４６の下方には、このアウターチューブ１４６と同心円状にマニホールド１５０が配設されている。マニホールド１５０は、例えばステンレス等からなり、上端及び下端が開口した円筒形状に形成されている。マニホールド１５０は、インナーチューブ１４４とアウターチューブ１４６に係合しており、これらを支持するように設けられている。

マニホールド１５０とアウターチューブ１４６との間には、シール部材としてのOリング１５２ａが設けられている。マニホールド１５０がヒータベース１３４に支持されることにより、プロセスチューブ１４２が垂直に据え付けられた状態となる。
プロセスチューブ１４２とマニホールド１５０とにより反応容器が形成される。

マニホールド１５０の下方に、このマニホールド１５０の下端開口を気密に閉塞可能な炉口蓋体としてのシールキャップ７６が配設される。シールキャップ７６は、マニホールド１５０の下端に垂直方向下側から当接されるようになっている。シールキャップ７６の上面には、マニホールド１５０の下端と当接するシール部材としてのOリング１５２ｂが設けられる。

シールキャップ７６には、ガス導入部としてのノズル１５４が処理室１４８内に連通するように接続されており、このノズル１５４には、ガス供給管１５６が接続されている。

ガス供給管１５６の上流側（ノズル１５４と接続する側の反対側）には、処理ガス供給源（非図示）や不活性ガス供給源（非図示）が、開閉弁であるバルブ１５８、及び処理室１４８に供給するガスのガス流量を測定するマスフローコントローラ（MFC）１６０を介して接続されている。
MFC１６０は、配管の詰まりや、センサ類の劣化等により生じる基準値の変化（基準値シフト）に対応するために、基準値を補正する機能（基準値補正機能）を備えている。

バルブ１５８及びMFC１６０にはガス流量制御部２１４（図１参照）が電気的に接続されており、このガス流量制御部２１４は供給するガスの流量が所望の量となるように、これらバルブ１５８及びMFC１６０を所望のタイミングで制御する。

マニホールド１５０には、処理室１４８内の雰囲気を排気する排気管１６２が設けられている。排気管１６２は、インナーチューブ１４４とアウターチューブ１４６との隙間に形成される筒状空間１６４の下端部に配置されており、この筒状空間１６４に連通している。

筒状空間１６４には、温度を検出する温度検出器としての第二の温度センサ１７０が設置されている。第二の温度センサ１７０は、第一の温度センサ１４０よりも処理室１４８内のウエハ２に近い側にあり、この第一の温度センサ１４０よりもヒータ１３２から遠い側に設置されている。
第二の温度センサ１７０は、例えばヒータ熱電対により構成される。第二の温度センサ１７０は、ヒータ１３２の複数のゾーンそれぞれに対応する位置で温度を検出するように、複数の検出点を備える。

ヒータ１３２、第一の温度センサ１４０、及び第二の温度センサ１７０には、温度制御部２１６（図１参照）が接続されている。温度制御部２１６は、処理室１４８内が所望の温度となるように、第二の温度センサ１７０により検出された測定結果に基づいてヒータ１３２を所望のタイミングで制御する。

排気管１６２の下流側（マニホールド１５０と接続する側の反対側）には、圧力検出器としての圧力センサ１８０と、排気量を調節することで圧力を調整する圧力調整装置１８２とを介して、真空ポンプ等の真空排気装置１８４が接続されている。

圧力センサ１８０及び圧力調整装置１８２には、圧力制御部２１８（図１参照）が電気的に接続されている。圧力制御部２１８は、処理室１４８内が所望の圧力となるように、圧力センサ１８０により検出された測定結果に基づいて真空排気装置１８４を所望のタイミングで制御するように構成されている。

シールキャップ７６の処理室１４８と反対側（図４において下側）には、ボート６０を回転させる回転機構１９０が設置されている。回転機構１９０の回転軸１９２は、シールキャップ７６を貫通してボート６０に接続されており、このボート６０を回転させることでウエハ２を回転させるように構成されている。
ボート６０は、ボートエレベータ７４がシールキャップ７６を昇降させる動作に伴い処理室１４８に対し搬入搬出される。

回転機構１９０及びボートエレベータ７４には、駆動制御部２２０（図１参照）が電気的に接続されており、駆動制御部２２０は、所望の動作をするようこれら回転機構１９０及びボートエレベータ７４を所望のタイミングで制御するように構成されている。

ボート６０の下部には、例えば石英や炭化珪素等の耐熱性材料からなる円板形状をした断熱部材としての断熱板１９８が水平姿勢で多段に複数枚配置されており、ヒータ１３２からの熱がマニホールド１５０側に伝わりにくくなるよう構成されている。

次に、基板処理装置１０の動作について説明する。基板処理装置１０を構成する各部の動作は、コントローラ２００により制御される。

ポッド４が工程内搬送装置によってロードポート１８に供給されると、ポッド搬入搬出口１４がフロントシャッタ１６によって開放される。ロードポート１８の上のポッド４は、ポッド搬送装置３０によって筐体１２の内部へポッド搬入搬出口１４から搬入される。

筐体１２内に搬入されたポッド４は、ポッド搬送装置３０によって回転式ポッド棚２０の指定された棚板２４へ受け渡され一時的に保管された後、この棚板２４からポッドオープナ３６に搬送されて載置台３８に移載される。あるいは、筐体１２内に搬入されたポッド４は、棚板２４を経由することなく直接、ポッドオープナ３６に搬送されて載置台３８に移載される。

この際、副筺体３２に設けられたウエハ搬入搬出口３４はキャップ着脱機構４０によって閉じられており、移載室４２にはクリーンエアが流通され充満されている。
例えば、移載室４２には、クリーンエアとして窒素（N₂）やアルゴン（Ar）等の不活性ガスが充満しており、この移載室４２内の酸素濃度が筐体１２の内部（大気雰囲気）の酸素濃度よりも低くなるように（20 ppm以下程度）設定されている。

載置台３８に載置されたポッド４は、その開口側端面がウエハ搬入搬出口３４の開口縁辺部に押し付けられるとともに、キャップ着脱機構４０によってこのポッド４のキャップが取り外されウエハ出し入れ口が開放される。

ポッド４のウエハ出し入れ口が開放されると、ウエハ２は、このポッド４からウエハ移載装置５２のツイーザ５８によってウエハ出し入れ口を通じてピックアップされる。そして、ウエハ２は、ノッチ合わせ装置６６によって周方向の位置を整合された後、移載室４２の後方にあるボート６０に装填（チャージング）される。
ウエハ移載装置５２は、ボート６０にウエハ２を受け渡した後、ポッド４に戻り次のウエハ２をボート６０に装填する。

一方（上段又は下段）のポッドオープナ３６におけるウエハ２のボート６０への装填作業と並行して、他方（下段又は上段）のポッドオープナ３６には、他のポッド４がポッド搬送装置３０によって回転式ポッド棚２０から搬送され、この他方のポッドオープナ３６においてこの他のポッド４の開放作業が行われる。

所定枚数のウエハ２がボート６０に装填されると、炉口シャッタ７２が開き、熱処理装置７０の下端部が開放される。続いて、複数枚のウエハ２を保持したボート６０が、シールキャップ７６がボートエレベータ７４によって上昇されることにより、熱処理装置７０内へ搬入（ローディング）される。そして、シールキャップ７６は、Oリング１５２ｂを介してマニホールド１５０の下端をシールした状態となる。

ウエハ２を処理室１４８内に搬送した後、このウエハ２に所定の処理を行う。

処理室１４８は、この処理室１４８内が所望の圧力（真空度）となるように真空排気装置１８４によって真空排気される。この際、処理室１４８内の圧力は圧力センサ１８０で測定され、この測定された圧力に基づいて圧力調節器１２２が、フィードバック制御される。

また、処理室１４８は、この処理室１４８内が所望の温度となるようにヒータ１３２によって加熱される。温度制御部２１６は、第一の温度センサ１４０及び第二の温度センサ１７０が検出した温度情報に基づき、処理室１４８内が所望の温度分布となるようにヒータ１３２への通電具合をフィードバック制御する。

ウエハ２は、回転機構１９０によりボート６０が回転されるのに伴い、回転した状態となる。

次いで、処理室１４８内に所定の処理ガスが供給される。処理ガス供給源から供給された処理ガスは、MFC１６０にて所望の流量となるように制御され、ガス供給管１５６を流通してノズル１５４から処理室１４８内に導入される。
処理室１４８内に導入されたガスは上昇してインナーチューブ１４４の上端開口から筒状空間１６４に流出し、排気管１６２から排気される。ガスが処理室１４８内を通過する際にウエハ２の表面と接触し、熱CVD反応によってウエハ２の表面上に薄膜が堆積（デポジション）される。

予め設定された処理時間が経過すると、不活性ガスが不活性ガス供給源から供給され、処理室１４８内が不活性ガスに置換されるとともに、この処理室１４８内の圧力が常圧に復帰する。

そして、ボートエレベータ７４によりシールキャップ７６が下降されて、マニホールド１５０の下端が開口される。処理済のウエハ２は、ボート６０に保持された状態でマニホールド１５０の下端からプロセスチューブ１４２の外部に搬出（ボートアンローディング）される。
その後、処理済のウエハ２は、ボート６０から取出される（ウエハディスチャージ）。

基板処理装置１０の熱処理装置７０においてウエハ２を処理する際の処理条件として、例えば窒化珪素（Si₃N₄）膜を成膜する場合、処理温度：600 〜 700 ℃、処理圧力：20 〜 40 Pa、ガス種：ジクロロシラン（SiH₂Cl₂）、アンモニア（NH₃）、ガス供給流量：0 〜 99.999 slmが例示される。
処理条件を、それぞれの範囲内のある値で一定に維持することでウエハ２に処理がなされる。

次に、コントローラ２００の温度制御部２１６の詳細について説明する。

温度制御部２１６は、比例・積分・微分（PID）演算による帰還制御を用いてヒータ１３２に入力する操作量を設定するようにして、このヒータ１３２からの出力を制御する。温度制御部２１６は、ヒータ１３２の複数のゾーンごとに応じてその出力をそれぞれ制御するようになっている。
また、温度制御部２１６は、加熱する対象となるウエハ２の状態、すなわち成膜処理等の加工がなされていないウエハ（以下、「ベアウエハ」と称す）と加工がなされているウエハ（以下、「加工ウエハ」と称す）、これらに応じて操作量を調整する。加工ウエハには、製品を製造する過程中のウエハ等が含まれる。

図４に示すように、温度制御部２１６は、切替部３０２、第一の減算部３０４、第一のPID演算部３０６、調整部３０８、第二の減算部３１０、第二のPID演算部３１２、及びパターン出力部３１４を備える。

切替部３０２は、ヒータ１３２に入力する操作量Zを算出するための制御方式を切り替える。具体的には、切替部３０２は、主制御部２０４の指示に基づいて、PID演算制御とパターン制御とを切り替える。
「PID演算制御」とは、PID演算を経て操作量Zを出力する制御である。
「パターン制御」とは、予め定められたパターンに基づいて操作量Zを出力する制御である。

第一の減算部３０４は、主制御部２０４により通知される設定値S（設定しようとする温度に対応）と、第二の温度センサ１７０が検出する温度に対応する制御量Aとに基づいて、偏差Dを算出する。
設定値Sは、例えば、UI部２０２を介して操作者によって設定される。

第一のPID演算部３０６は、偏差DをPID演算して操作量Xを算出し、これを目標値Wに変換して出力する。
第一のPID演算部３０６の詳細について説明すると、図５に示すように、この第一のPID演算部３０６は、積分演算部３２０、比例演算部３２２、微分演算部３２４、及び加算部３２６を備える。

積分演算部３２０は、偏差Dを時間積分演算（I演算）した演算結果に、予め定められたパラメータKiを乗じて「積分値N」を算出し、この積分値Nを出力する。
積分値Nは、ある時間tにおける偏差DをD(t)、そのときの積分値NをN(t)で表すと、式（１）によって求められる。式（１）において積分範囲は0からtの間である。

比例演算部３２２は、偏差Dに、予め定められたパラメータKpを乗じて（P演算）「比例値O」を算出し、この比例値Oを出力する。
比例値Oは、ある時間tにおける偏差DをD(t)、そのときの比例値OをO(t)で表すと、式（２）によって求められる。

微分演算部３２４は、偏差Dを時間微分演算（D演算）した演算結果に、予め定め荒れたパラメータKdを乗じて「微分値R」を算出し、この微分値Rを出力する。
微分値Rは、ある時間tにおける偏差DをD(t)、そのときの微分値RをR(t)で表すと、式（３）によって求められる。

加算部３２６は、積分値N、比例値O、及び積分値Rこれらの総和を算出し、操作量Xを出力する。
操作量Xは、ある時間tにおける偏差DをD(t)、そのときの操作量XをX(t)で表すと、式（４）によって求められる。

調整部３０８は、目標値Wを調整する。具体的には、調整部３０８は、加熱する対象がベアウエハである場合は目標値W1を出力し、加熱する対象が加工ウエハである場合は、目標値W2を出力する。調整部３０８による調整の詳細については、後述する。

第二の減算部３１０は、第二の温度センサ１７０による検出結果を考慮しこれを調整した目標値W1又はW2と、第一の温度センサ１４０が検出する温度に対応する制御量Bとに基づいて、偏差Eを算出する。

第二のPID演算部３１２は、偏差EをPID演算して操作量Zを算出し、これを出力する。第二のPID演算部３１２は、PID演算する対象が偏差Eであるという点が異なるものの、上述した第一のPID演算部３０６と同様の構成となっている。

パターン出力部３１４は、予め定められたパターンに基づいて操作量Zを出力する。
図６に示すように、パターン出力部３１４は、例えばある時間t1においては所定の操作量Z1を出力し、時間t1の経過後、ある時間t2においては所定の操作量Z2を出力する。操作量Z1から操作量Z2への移行は、所定の傾き（操作量／時間）をもたせるようにしてもよい（ランピング）。

次に、調整部３０８による調整の詳細について説明する。

まずPID演算の特性について説明すると、このPID演算においては、パラメータKi、Kp、Kdを調節することにより、最適な温度プロファイルや温度波形等が実現される。一方で、パラメータKi、Kp、Kdについて、ベアウエハに対して調節（最適化）したものと、加工ウエハに対して調節したものとでは、その特性が異なる場合がある。

図７は、加熱する対象となるウエハがベアウエハである場合及び加工ウエハである場合それぞれについて、ベアウエハに対して調節したパラメータKi、Kp、KdをPID演算に用いたときの第二の温度センサ１７０により検出された温度波形の比較結果を示す。
図７に示すように、加工ウエハについての温度波形は、設定しようとする温度を立ち上がり部分で比較的大きく上回り（オーバーシュート）、ベアウエハに対する場合と比較して、温度が安定するまでに要する時間（温度安定時間）が長くなっている（温度安定性が悪化している）。

図８は、加熱する対象となるウエハがベアウエハである場合及び加工ウエハである場合それぞれについて、加工ウエハに対して調節したパラメータKi'、Kp'、Kd'をPID演算に用いたときの第二の温度センサ１７０により検出された温度波形の比較結果を示す。
図８に示すように、ベアウエハについての温度波形は、ベアウエハに対して調節したパラメータKi、Kp、KdをPID演算に用いたとき（図６参照）と比較して、温度の立ち上りが鈍く温度安定時間が長くなっている。この温度の立ち上りの鈍さは、ヒータ１３２に出力する操作量Zの不足に起因する。

ここで、図７及び図８に示す結果から、温度安定性の悪化の一因として、初期の温度から設定しようとする温度まで昇温する工程（ランプアップ：ramp-up）におけるパワー出力が挙げられる。これは、ベアウエハと加工ウエハとの表面状態の相違により、熱輻射の吸収率に差があるために生ずるものと考えられる。
このため、ベアウエハと加工ウエハとの表面状態の相違により生じる差を抑制するよう調整する必要がある。

ベアウエハと加工ウエハとの相違に対する調整についてより詳細に説明する。
図９は、加熱する対象となるウエハがベアウエハである場合及び加工ウエハである場合それぞれについて、ベアウエハに対して調節したパラメータKi、Kp、KdをPID演算に用いたときの第一の温度センサ１４０により検出された温度波形の比較結果を示す。

図９に示すように、加熱する対象となるウエハが加工ウエハである場合の方が、ベアウエハである場合と比較して、第一の温度センサ１４０の検出する温度の上昇が早くなっている。この理由は、以下のように考えられる。
すなわち、加工ウエハの方がベアウエハよりも熱吸収率が高い。このため、加工ウエハの場合とベアウエハの場合とで初期段階において同一のパワー出力を付与したとき、吸収される熱量は加工ウエハの方が多い。したがって、加工ウエハの場合の方が、第一の温度センサ１４０の検出する温度の上昇が遅くなる。結果、昇温工程においてヒータ１３２に過剰なパワー出力を付与することとなる。
そこで、第一の温度センサ１４０に対する目標値Wを調整することで、過剰なパワー出力が抑制される。

本実施形態においては、目標値W1は式（５）によって求められ、目標値W2は式（６）によって求められる。

ここで、式（６）中の係数Cは、ベアウエハに対して調節したパラメータKi、Kp、KdをPID演算に用いた場合における第一の温度センサ１４０の検出する初期温度（昇温工程開始時の温度）をini.1、この場合における第一の温度センサ１４０の検出する昇温工程中最大温度をmax.1として表し、加工ウエハに対して調節したパラメータKi'、Kp'、Kd'をPID演算に用いた場合における第一の温度センサ１４０の検出する初期温度をini.2、この場合における第一の温度センサ１４０の検出する昇温工程中最大温度をmax.2として表すと式（７）によって求められる。

第一の温度センサ１４０は第二の温度センサ１７０よりもヒータ１３２に近い側に配置されているため、第一の温度センサ１４０は第二の温度センサ１７０よりもヒータ１３２のパワー出力に対する感度が高い。このため、係数Cの算出には、第一の温度センサ１４０による検出結果を用いる方が、第二のセンサ１７０の検出結果を用いるよりも、精度が向上する。

また、係数Cは、ベアウエハと加工ウエハの表面素材の熱輻射の反射率から算出するようにしてもよい。

次に、温度制御部２１６が出力する操作量Zの算出について説明する。
図１０は、温度制御部２１６による制御動作（Ｓ１０）のフローチャートを示す。

ステップ１００（Ｓ１００）において、ベアウエハを用いて温度制御を行い、このベアウエハに対して調節したパラメータKi、Kp、Kdを予め取得する。

ステップ１０２（Ｓ１０２）において、主制御部２０４からヒータ１３２への昇温指示とともに、設定値Sを受付ける。

ステップ１０４（Ｓ１０４）において、切替部３０２は、操作量Zを算出する制御方式を判断する。
具体的には、PID演算制御を行う場合、切替部３０２は第一の減算部３０４に設定値Sを出力し（ステップ１０６（Ｓ１０６）の処理に進み）、パターン制御を行う場合、切替部３０２はパターン出力部３１４に設定値Sを出力する（ステップ１２２（Ｓ１２２）の処理に進む）。

ステップ１０６（Ｓ１０６）において、第一の減算部３０４は、設定値Sを受け入れるとともに第二の温度センサ１７０から制御量Aを受け入れ、これらから偏差Dを算出し、この偏差Dを第一のPID演算部３０６に出力する。

ステップ１０８（Ｓ１０８）において、第一のPID演算部３０６は、偏差Dを受け入れこれから操作量Xを算出し、この操作量Xを目標値Wに変換して、調整部３０８に出力する。

ステップ１１０（Ｓ１１０）において、調整部３０８は、加熱する対象となるウエハ２の状態を判断する。
具体的には、加熱する対象となるウエハ２が、ベアウエハである場合、ステップ１１２（Ｓ１１２）の処理に進み、加工ウエハである場合、ステップ１１８（Ｓ１１８）の処理に進む。

ステップ１１２（Ｓ１１２）において、調整部３０８は、目標値Wを調整して目標値W1を算出し、この目標値W1を第二の減算部３１０に出力する。

ステップ１１４（Ｓ１１４）において、第二の減算部３１０は、目標値W1を受け入れるとともに第一の温度センサ１４０から制御量Bを受け入れ、これらから偏差Eを算出し、この偏差Eを第二のPID演算部３１２に出力する。

ステップ１１６（Ｓ１１６）において、第二のPID演算部３１２は、偏差Eを受け入れこれから操作量Zを算出し、これをヒータ１３２へ出力する。

ステップ１１８（Ｓ１１８）において、調整部３０８は、目標値Wを調整して目標値W2を算出し、この目標値W2を第二の減算部３１０に出力する。

ステップ１２０（Ｓ１２０）において、第二の減算部３１０は、目標値W2を受け入れるとともに第一の温度センサ１４０から制御量Bを受け入れ、これらから偏差Eを算出し、この偏差Eを第二のPID演算部３１２に出力する。そして、ステップ１１６（Ｓ１１６）の処理に進む。

ステップ１２２（Ｓ１２２）において、パターン出力部３１４は、予め定められたパターンに基づいて操作量Zを算出し、これをヒータ１３２へ出力する。

PID演算制御においては、第二のPID演算部３１２から出力される操作量Zに基づくヒータ１３２の出力について、制御量A及び制御量Bが再び温度制御部２１６に帰還される。このようにして設定値Sと制御量Aとの偏差Dが「０」となるように、刻々と操作量Zを変化させる。

２ ウエハ
４ ポッド
１０ 基板処理装置
７０ 熱処理装置
１３２ ヒータ
１４０ 第一の温度センサ
１４８ 処理室
１７０ 第二の温度センサ
２００ コントローラ
２０４ 主制御部
２１２ 搬送制御部
２１４ ガス流量制御部
２１６ 温度制御部
２１８ 圧力制御部
２２０ 駆動制御部
３０２ 切替部
３０４ 第一の減算部
３０６ 第一のPID演算部
３０８ 調整部
３１０ 第二の減算部
３１２ 第二のPID演算部
３１４ パターン出力部

Claims (2)

1. 基板を処理する処理室の温度を第一の位置で検出し、
   第一の位置よりも前記処理室内の基板から近く且つ前記処理室を加熱する加熱装置から遠い第二の位置で、前記処理室の温度を検出し、
   予め定められる設定値と第二の位置で検出される検出値とから目標値を算出し、
   目標値を基板の状態に応じて調整し、
   調整された目標値と第一の位置で検出される検出値とから前記加熱装置に出力する操作量を算出する温度調整方法。
2. 基板を処理する処理室と、
   前記処理室を加熱する加熱装置と、
   前記加熱装置を制御する加熱制御部と、
   前記処理室の温度を検出する第一の温度検出部と、
   前記第一の温度検出部よりも前記処理室内の基板から近く且つ前記加熱装置から遠い位置に設けられ、前記処理室の温度を検出する第二の温度検出部と、
   を有し、
   前記加熱制御部は、予め定められる設定値と前記第二の温度検出部の検出値とから得られる目標値を基板の状態に応じて調整し、この調整された目標値と前記第一の温度検出部の検出値とから前記加熱装置に出力する操作量を算出する熱処理装置。

Images