DD264774A1 - Verfahren zur regelung der temperaturverteilung in elektrisch beheizten mehrzonenoefen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Temperaturverteilung in elektrisch beheizten Mehrzonenoefen zur Bearbeitung von Halbleitersubstraten zur Herstellung mikroelektronischer Bauelemente. Durch die erfindungsgemaesse Loesung wird die Regelabweichung in der Fuehrungszone des Mehrzonenofens als Differenz zwischen der Sollwertvorgabe fuer den Absolutwert der Temperatur in der Fuehrungszone und dem durch arithmetische Mittelung der Signale der Regelmessfuehler dieser Zone gewonnenen Wert berechnet, waehrend in den gefuehrten Zonen die Abweichung des Gradienten der Temperatur in der Fuehrungszone von der Sollwertvorgabe des Temperaturgradienten in der Fuehrungszone nach Betrag und Richtung als Regelabweichung verwendet wird. Vorteilhaft wirkt sich die Loesung insbesondere auf ein besseres Anheizen des jeweiligen Arbeitsrohres nach einem Substratwechsel aus.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die Regelung der Temperaturverteilung in elektrischen Mehrzonenöfen, wie sie insbesondere in Oxydations-, Diffusions-, Temper- oder CVD-Anlagen in der Halbleiterbauelementefertigung verwendet werden. Darüber hinaus ist das Verfahren für alle Prozesse, Anlagen usw. nutzbar, bei denen ein genauer, räumlich und zeitlich definierter Temperaturverlauf notwendig ist und während der Beschickung des Ofens unerwünschte dynamische Störungen des Temperaturverlaufes auftreten.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bekannt sind thermoelektrische Temperaturregelungsverfahren und Schaltungsanordnungen für elektrische Mehrzonenöfen, bei denen in jeder Heizzone ein Meßfühler angeordnet ist. Der Meßfühler stellt ein von der Temperatur der Heizzone eindeutig abhängendes Regelsignal für einen mit dem Meßfühler elektrisch verbundenen Regler bereit, der über ein geeignetes Stellglied die Leistungszuführung der Heizzone so regelt, daß die Temperatur der diesem Meßfühler zugeordneten Heizzone in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Sollwert zeitlich konstant gehalten wird. Durch geeignete Auswahl der Sollwertvorgaben für die einzelnen Heizzonen des Mehrzonenofens wird eine räumliche Temperaturverteilung, insbesondere auch die räumlich konstante Temperatur im zentralen Bereich des Ofens eingestellt.

Beim Einsatz von Thermoelementen als Meßfühler liefert dieses in Abhängigkeit von der am Thermoelement anliegenden Temperatur eine Thermospannung, die mit einer Sollspannung verglichen wird, und deren Differenzspannung, elektronisch verarbeitet, die elektrische Leistungsaufnahme der Heizzone regelt.

In der Regel haben Oxydations-, Diffusions-, Temperöfen und CVD-Anlagen eine hohlzylindrische Form der Reaktorwandung. Der zylindrische Innenraum, von der Reaktorwand umgeben, wird mittels einer elektrischen Heizung, die aus drei unabhängig voneinander zu regelnden Heizzonen besteht, auf die für die Bearbeitungsvorgänge notwendige Temperatur indirekt erwärmt. Die mittlere dieser drei Heizzonen dient dabei zur Aufnahme der thermisch zu beauflagenden Materialien. Die beiden äußeren Heizzonen dienen der Einstellung des notwendigen axialen Temperaturverlaufes.

Eine leicht handhabbare Einstellung der Temperaturhöhe und des axialen Temperaturverlaufes in der mittleren Heizzone ergibt sich beim Einsatz der mittleren Heizzone als Führungszone zur Herstellung des Temperaturprofils im Mehrzonenofen. Dabei wird nur der Sollwert für den Regler, der mit dem Meßfühler der mittleren Ofenzone, der Führungszone, verbunden ist, vorgegeben. Die Sollwerte für die beiden äußeren Heizzonen, die geführten Zonen, werden im wesentlichen durch zwei in unmittelbarer Nähe des regelnden Meßfühlers der Führungszone angebrachte Referenzmeßfühler erzeugt, die nach Hinzufügen relativ kleiner, aber willkürlich einstellbarer Sollwertkorrekturen im Zusammenwirken mit den in den äußeren Heizzonen angeordneten regelnden Meßfühlern der äußeren geführten Heizzonen den gewünschten axialen Temperaturverlauf in der Führungszone gewährleisten.

Ein Vorteil dieses in der Regelungstechnik als „master-slave" bekannten Prinzips besteht darin, daß bei einer erwünschten Veränderung der Temperaturhöhe der Führungszone praktisch nur der Sollwert der Führungszone verändert werden muß und ein erwünschter axialer Temperaturverlauf in der mittleren Ofenzone im wesentlichen auch bei veränderter Temperaturhöhe der Führungszone erhalten bleibt. Der Nachteil des Prinzips besteht darin, daß eine plötzliche Veränderung des axialen Temperaturverlaufes im Mehrzonenofen, wie beispielsweise eine Neigung des Temperaturprofils in Richtung der Beschickungsöffnung durch das Einbringen von Bearbeitungsmaterialien, nicht aktiv ausgeregelt wird und der passive Temperaturausgleich erhebliche Wartezeiten erforderlich macht.

Zur Vermeidung dieses Nachteils bei derthermoelektrischen Temperaturregelung von Mehrzonenöfen nach dem master-slave-Prinzip ist eine Temperaturregelungsmethode bekannt, bei der die Referenzmeßfühler für die äußeren Heizzonen zeitlich in Richtung der zugehörigen äußeren Heizzone versetzt vom regelnden Meßfühler der mittleren Heizzone angeordnet und Referenzmeßfühler und Regelmeßfühler paarweise in Reihe geschaltet sind. Der für die äußeren Heizzonen zur Gewährleistung des axialen Temperaturverlaufes in der mittleren Heizzone erforderliche Sollwert entspricht im wesentlichen der Summe der Signale von Referenz- und Regelmeßfühler. Bei einer unerwünschten Veränderung des axialen Temperaturverlaufes führt eine Unter- bzw. Übertemperatur in der einen Halte der mittleren Heizzone zu einer entsprechenden Über- bzw. Untertemperatur der zugehörigen äußeren Heizzone, wodurch eine automatisch wirkende aktive Rückführung auf den gewünschten axialen Temperaturverlauf erreicht wird.

Der Nachteil dieses Verfahrens der Temperaturregelung besteht darin, daß bei einer technologisch für die Wärmebehandlung der Materialien notwendigen Veränderung der Temperatur der mittleren Heizzone alle Sollwerte der Heizzonen des Mehrzonenofens verändert werden müssen. Diese zeitlich gesteuerte Veränderung der Ofentemperatur bedingt für die Steuerung von Temperaturveränderungen im Mehrzonenofen einen großen technischen und bedienungsmäßigen Aufwand, da wie bereits dargelegt, alle Sollwerte der Ofenzonen simultan passend zueinander verändert werden müssen. Der Nachteil dieses Verfahrens bei Beibehaltung seiner Vorteile hinsichtlich der aktiven Ausregelung dynamischer Störungen wird durch eine Lösung vermieden, wo der der Führungszone zugeordnete Regelmeßfühler jeweils zwischen den Regelmeßfühlern der geführten Heizzonen und den mit diesen entsprechend regelungstechnisch verbundenen Referenzmeßfühlern der geführten Heizzonen thermisch entkoppelt angeordnet ist. Der Vorteil der aktiven Rückführung auf den gewünschten axialen Temperaturverlauf, den die letzten beiden genannten Prinzipien aufweisen, wird allerdings bei einem in der Praxis wichtigen Spezialfall eines vorgegebenen axialen Temperaturprofils (d.h. Temperaturgradient in axialer Richtung von Null verschieden) nicht voll wirksam oder weist sogar gegenüber den zuerst diskutierten Verfahren (unabhängiger Soll-Ist-Vergleich in jeder Zone, master-slave-Prinzip) Nachteile auf, wenn ein in Chargierrichtung ansteigender Temperaturverlauf erforderlich ist. Dieser Fall ist z. B. typisch für Niederdruck-CVD-Prozesse, wo ein solcher ansteigender Temperaturverlauf aus reaktionskinetischen Gründen erforderlich ist.

Mitunter arbeitet man heute mit Meßfühlern, die unmittelbar im Reaktionsraum angeordnet sind (auch als Innenrohrmessung bezeichnet). Daraus ergeben sich Vorteile hinsichtlich des dynamischen Verhaltens und die Sollwertvorgaben können sich direkt auf die Temperatur bzw. das Temperaturprofil im Bearbeitungsgut beziehen. Die Temperaturmessung unmittelbar im Reaktionsraum erfordert mehr Aufwand und ist in bestimmten Fällen, z. B. bei der plasmagestützten Bearbeitung, technisch nur schwer realisierbar. Alle hier genannten Prinzipien sind auf die Innenrohrmessung übertragbar.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, die Nachteile bekannter Lösungen zur Regelung der Temperatuverteilung in elektrisch beheizbaren Mehrzonenöfen zu vermeiden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Temperaturregelung für einen elektrischen Mehrzonenofen zu schaffen, die Information über die Abweichung von einem räumlich vorgegebenen, insbesondere auch in Richtung des Chargiervorganges ansteigenden Temperaturverlaufes registriert und diesen räumlichen Temperaturverlauf durch aktive Ausregelung umgehend wiederherstellt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der Führungszone des Mehrzonenofens mindestens zwei Regelmeßfühler thermisch entkoppelt und axial versetzt angeordnet sind, wobei der Temperaturistwert der Führungszone durch arithmetische Mittelung der Signale dieser Meßfühler gebildet und dessen Abweichung vom Sollwert der Führungszone als Regelsignal für diese Zone genutzt wird, während die Regelsignale für die geführten Zonen aus der Abweichung des Temperaturgradienten in der Führungszone von der Sollwertvorgabe unter Berücksichtigung von Betrag und Richtung gebildet werden, wobei der Temperaturgradient in der Führungszone unter Verwendung der Signale der in der Führungszone axial versetzten Regelmeßfühler ermittelt wird.

Eine vorteilhafte Anwendung der Erfindung wird dadurch erreicht, indem zusätzlich durch zeitliche Änderungen zumindest eines Teils alle Sollwertvorgaben (Absolutwerte der Zonen, Gradient in der Führungszone) eine Anpassung an die konkreten technologischen Verfahrensbedingungen erfolgt, wobei der Zeitverlauf dieser Änderungen willkürlich vorgegeben werden kann.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der zugehörigen Figur ist in schematischer Darstellung ein rohrförmiger 3-Zonenofen mit der erfindungsgemäßen Temperaturregelung dargestellt, wobei die Führungszone zwischen den geführten Zonen angeordnet und mit zwei Regelmeßfühlern versehen ist.

Der rohrförmige 3-Zonenofen besteht aus einer hohlzylinderförmigen wärmeresistenten Wandung 1, die entlang ihrer Umfangsfläche von den elektrischen Heizelementen der Heizzonen 2; 3 und 4 umgeben ist. Diese elektrischen Heizelemente beheizen den hohlzylinderförmigen Innenraum der Heizzonen 2.1; 3.1 und 4.1. Durch vier entlang einer Mantellinie L der Wandung 1 und rechtwinklig zur Symmetrieachse S des Ofens angebrachte Aussparungen ragen Thermoelemente 5; 6; 7; 8 durch die Wandung 1 hindurch und korrespondieren mit dem Innenraum der geführten Zonen 2.1 und4.1 und dem der Führungszone 3.1.

Die Thermoelemente 5; 6; 7; 8 sind elektrisch mit den Auswerte- und Regeleinheiten 2.2; 3.2; 4.2 verbunden, die den jeweiligen Ofenzonen zugeordnet sind. In diesen Einheiten werden die Meßsignale der Thermoelemente verarbeitet, mit Vorgabewerten verglichen und entsprechend dem implementierten Regelalgorithmus erfolgt die Ausgabe der erforderlichen Heizleistung an die elektrischen Heizelemente der drei Zonen über die Steuerleitungen 9; 10; 11. Über die Signalleitung 12 erhält die Auswerte-und Regeleinheit 3.2 für die Führungszone 3.1 die Sollwertvorgabe für den Absolutwert der Temperatur und den Temperaturgradient in der Führungszone. In der Einheit 3.2 werden der arithmetische Mittelwert und die Differenz der Thermospannungen der Thermoelemente 6 und 7 gebildet. Der Mittelwert wird in der Einheit 3.2 mit der Sollwertvorgabe für die Temperatur in der Führungszone verglichen. Aus dieser Differenz berechnet der in der Regeleinheit 3.2 implementierte Regelalgorithmus die im Heizelement 3 notwendige Heizleistung. Die Ausgabe der erforderlichen Heizleistung das Heizelement 3 erfolgt über die Steuerleitung 10.

Aus der Differenz der Thermospannungen der Thermoelemente 6 und 7 wird in der Regeleinheit 3.2 der Istwert des Gradienten in der Führungszone 3.1 berechnet und mit dem Sollwert des Gradienten verglichen. Die Sollwertvorgabe des Gradienten in der Führungszone 3.1 erfolgt über die Signalleitung 12. Die Differenz zwischen Soll- und Istwert des Gradienten wird über die

Signalleitungen 13 und 14 den Auswerte- und Regeleinheiten 2.2 und 4.2 der geführten Zonen übermittelt. Die darin implementierten Regelalgorithmen berechnen daraus die für die geführten Zonen 2.1; 4.1 erforderliche Heizleistung. Die Ausgabe der Heizleistungen an die Zonen 2 und 4 erfolgt über die Steuerleitungen 9 und 11.

Wahlweise ist ein Betreiben der geführten Zonen (Randzonen) mit Absolutwertvorgaben möglich, die den Auswerte- und Regeleinheiten 2.2 und 4.2 über die Signalleitungen 13 und 14 von der Einheit 3.2 der Führungszone übermittelt werden. In diesem Fall wird aus der Differenz zwischen den Istwerten, die mit den Thermoelementen 5 und 8 ermittelt werden, und den Sollwertvorgaben für die Zonen 2.1 und 4.1 durch den entsprechenden Regelalgorithmus in den Auswerte- und Regeleinheiten 2.2 und 4.2 die erforderliche Heizleistung berechnet.

Diese Anordnung der Thermoelemente, die Auswertung der Thermospannungen sowie die Auswahl der Regelgrößen, insbesondere die Regelung der geführten Zonen nach der Gradientenvorgabe in der Führungszone, sichern bei auftretenden Störungen des Temperaturverlaufes (z. B. unmittelbar nach der Chargierung) ein schnelles Ausregeln. Dies gilt insbesondere auch dann, wenn in Chargierrichtung mit einem axial ansteigenden Temperaturverlauf in der Zone 3.1 gearbeitet wird.

Claims (1)

1. Verfahren zur Regelung der Temperaturverteilung in elektrisch beheizten Mehrzonenöfen, wobei jeder Heizzone ein Regelmeßfühler und der Führungszone zusätzlich mindestesn ein thermisch entkoppelter und in Richtung der Ofenachse räumlich versetzter Regelmeßfühler zugeordnet sind, gekennzeichnet dadurch, daß die Regelabweichung in der Führungszone als Differenz zwischen der Sollwertvorgabe für den Absolutwert der Temperatur in der Führungszone und dem durch arithmetische Mittelung der Signale der Regeimeßfühler dieser Zone gewonnenen Wert berechnet wird, während in den geführten Zonen die Abweichung des Gradienten der Temperatur in der Führungszone, der unter Nutzung der Signale der mindestens zwei in der Führungszone angeordneten Regelmeßfühler berechnet wird, von der Sollwertvorgabe des Temperaturgradienten in der Führungszone nach Betrag und Richtung als Regelabweichung verwendet wird.

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