JP2022537535A - ワークピースを加熱するためのハイブリッド制御システム - Google Patents

Abstract

ワークピースを所望の温度に加熱するシステムおよび方法が、開示されている。このシステムと方法は、ワークピースをより効率的に加熱するハイブリッドアプローチを作成する際に、タイムラグ、温度オフセット、較正などの、温度デバイスの物理的制限を考慮する。まず、開ループ制御を使用してワークピースを加熱し、ワークピースをしきい値温度まで加熱する。しきい値温度に達した後、閉ループ維持モードが利用される。特定の実施形態では、開ループ維持モードが、開ループウォームアップモードと閉ループ維持モードとの間で使用される。さらに、接触熱電対を使用して高温計を較正する方法も、開示されている。
【選択図】図３

Description

本開示の実施形態は、基板を加熱するためのシステムに関し、より具体的には、基板を所望の温度に効率的に加熱するためのシステムに関する。

半導体デバイスの製造には、複数の個別の複雑なプロセスが含まれる。半導体基板は通常、製造プロセス中に多くのプロセスを経る。これらのプロセスは、環境とは異なる処理条件に維持され得る処理チャンバ内で起こり得る。

処理前および／または処理後に基板を加熱することは、多くの半導体製造プロセスで一般的である。多くの場合、基板は、高温に加熱される。この予熱は、冷たい基板が熱いプラテンに接触したときの基板の反り、ポッピング、および動きを防ぐのに役立ち得る。これらの現象は、パーティクルの生成とハンドリングミスを引き起こす可能性があり、全体的なプロセス歩留まりを低下させる可能性がある。

さらに、いくつかの実施形態では、基板が処理チャンバを出たときの結露の可能性を排除するために、低温プロセスに供された後に基板を温めることができる。

ワークピースを特定の温度に加熱できる能力は、簡単なものではない。通常、ワークピースの温度を測定するために使用される手法は２つある。

第１の手法は、ワークピースに押し付けられた接触熱電対を使用することである。熱電対は、ワークピースの温度を測定する。ただし、この方法には３つの欠点がある。第一に、熱電対が、ワークピースの実際の温度を記録しない場合がある。例えば、ワークピースと熱電対の間に完全な熱伝導がない場合がある。したがって、熱電対によって測定された温度は、正確でない場合がある。第二に、熱電対にはタイムラグがあるかもしれない。例えば、ワークピースの温度が変化すると、熱電対がこの温度変化を測定するまでに遅延が発生する。第三に、コーティングは放射率を変化させるので、新しいコーティングを有するあらゆる新しいタイプのワークピースには、熱電対が恒久的に取り付けられた較正ワークピースが必要である。これは、その特定のワークピースとコーティングの組み合わせに対して、正確な温度読み取り値を保証するためである。これは、非常に費用と時間がかかるプロセスである。

第２の手法は、高温計またはその他の赤外線センサを使用して、ワークピースの温度を遠隔で測定することである。ただし、ケイ素の放射率は温度の関数として変化するので、赤外線を使用した温度測定は、不正確になる可能性がある。言い換えると、高温計が、特定の温度で較正されている場合、較正温度に近くない温度での読み取り値は、誤っている。

したがって、両方の測定手法とも、ワークピースを室温などの第１の温度から第２のより高い温度に加熱しようとするときに、問題がある。接触熱電対の温度オフセットとタイムラグは、ワークピースが目的の温度に達するように熱源を制御することを、困難にし得る。ケイ素の放射率の変化は、高温計を使用した広い温度範囲での温度測定を、不可能ではないにしても困難にする。

したがって、熱電対が恒久的に取り付けられた較正ワークピースを利用せずに、ワークピースを正確に加熱する制御システムがあれば、有益である。さらに、制御システムが、接触熱電対および／または高温計を使用して動作するならば、有利であろう。

ワークピースを所望の温度に加熱するシステムおよび方法が、開示されている。このシステムと方法は、ワークピースをより効率的に加熱するハイブリッドアプローチを作成する際に、タイムラグ、温度オフセット、較正などの、温度デバイスの物理的制限を考慮する。まず、開ループ制御を使用してワークピースを加熱し、ワークピースをしきい値温度まで加熱する。しきい値温度に達した後、閉ループ維持モードが利用される。特定の実施形態では、開ループ維持モードが、開ループウォームアップモードと閉ループ維持モードとの間で使用される。さらに、接触熱電対を使用して高温計を較正する方法も、開示されている。

一実施形態によれば、ワークピースの温度を制御するためのシステムが、開示される。このシステムは、温度センサ、加熱エレメント、およびコントローラを備え、コントローラは、温度センサおよび加熱エレメントと通信しており、コントローラは、処理ユニットおよびメモリデバイスを備え、メモリデバイスは、命令を備え、命令は、処理ユニットによって実行されると、開ループウォームアップモードであって、コントローラが開ループ制御を使用して、しきい値温度に達するまでワークピースを加熱する、開ループウォームアップモードで動作することと、閉ループ維持モードであって、コントローラが閉ループ制御を使用して、ワークピースの温度を目標温度に維持する、閉ループ維持モードで動作することと、をコントローラが行うことを可能にする。特定の実施形態では、温度センサは、タイムラグを有し、メモリデバイスは、命令をさらに備え、命令は、処理ユニットによって実行されると、しきい値温度に達した後に、開ループ維持モードであって、コントローラが開ループ制御を使用して、ワークピースの温度をほぼ維持する、開ループ維持モードで動作することと、ある期間の後に、開ループ維持モードから閉ループ維持モードに切り替わることと、をコントローラが行うことを可能にする。いくつかの実施形態では、期間は、少なくともタイムラグと同じ長さである。特定の実施形態では、しきい値温度は、開ループウォームアップモード中にワークピースの温度が目標温度を超えないように、選択される。特定の実施形態では、閉ループ維持モードで動作することは、温度センサの出力をサンプリングすることと、温度センサの温度オフセットがある場合はそれを補正することと、温度センサのタイムラグがある場合はそれを補償することと、温度センサの補正および補償された出力を比例積分微分制御ループへの入力として使用して、加熱エレメントへの出力を決定することと、を含む。いくつかの実施形態では、タイムラグを補償することは、逆ローパスフィルタを利用することを含み、逆ローパスフィルタの時定数は、温度センサのタイムラグに等しい。特定の実施形態では、温度センサは、接触熱電対を含む。特定の実施形態では、温度センサは、高温計を含む。

別の実施形態によれば、ワークピースを目標温度に加熱する方法が、開示される。この方法は、開ループウォームアップモードであって、コントローラが開ループ制御を使用して、しきい値温度に達するまで加熱エレメントを制御する、開ループウォームアップモードで動作することと、閉ループ維持モードであって、コントローラが閉ループ制御を使用して、温度センサからの測定値に基づいてワークピースの温度を目標温度に維持する、閉ループ維持モードで動作することと、を含む。特定の実施形態では、この方法は、開ループ維持モードであって、コントローラが開ループ制御を使用して、閉ループ維持モードに切り替わる前に、ある期間、ワークピースの温度をほぼ維持する、開ループ維持モードで動作することを、さらに含む。特定の実施形態では、温度センサは、タイムラグを有し、期間は、少なくともタイムラグと同じ長さである。特定の実施形態では、閉ループ維持モードで動作することは、温度センサの出力をサンプリングすることと、温度センサの温度オフセットがある場合はそれを補正することと、温度センサのタイムラグがある場合はそれを補償することと、温度センサの補正および補償された出力を比例積分微分制御ループへの入力として使用して、加熱エレメントへの出力を決定することと、を含む。特定の実施形態では、タイムラグを補償することは、逆ローパスフィルタを利用することを含み、逆ローパスフィルタの時定数は、温度センサのタイムラグに等しい。特定の実施形態では、温度センサは、高温計を含み、この方法は、接触熱電対によって確定された既知の温度にワークピースを加熱することと、接触熱電対のタイムラグよりも長い期間、既知の温度に留まることと、高温計の出力を、接触熱電対によって確定された既知の温度に関係付けることと、によって、開ループウォームアップモードの前に、接触熱電対を使用して高温計を較正することを、さらに含む。

別の実施形態によれば、非一時的なコンピュータ可読媒体が、命令を備え、命令は、コントローラによって実行されると、開ループウォームアップモードであって、コントローラが開ループ制御を使用して、温度センサによって測定されたしきい値温度に達するまで、加熱エレメントを使用してワークピースを加熱する、開ループウォームアップモードで動作することと、閉ループ維持モードであって、コントローラが閉ループ制御を使用して、温度センサによる測定値に基づいてワークピースの温度を目標温度に維持する、閉ループ維持モードで動作することと、をコントローラが行うことを可能にする。特定の実施形態では、温度センサは、タイムラグを有し、非一時的なコンピュータ可読媒体は、命令をさらに備え、命令は、コントローラによって実行されると、しきい値温度に達した後に、開ループ維持モードであって、コントローラが開ループ制御を使用して、ワークピースの温度をほぼ維持する開ループ維持モードで動作することと、ある期間の後に、開ループ維持モードから閉ループ維持に切り替わることと、をコントローラが行うことを可能にする。特定の実施形態では、期間は、少なくともタイムラグと同じ長さである。特定の実施形態では、しきい値温度は、開ループウォームアップモード中にワークピースの温度が目標温度を超えないように、選択される。特定の実施形態では、閉ループ維持モードで動作することは、温度センサの出力をサンプリングすることと、温度センサの温度オフセットがある場合はそれを補正することと、温度センサのタイムラグがある場合はそれを補償することと、温度センサの補正および補償された出力を比例積分微分制御ループへの入力として使用して、加熱エレメントへの出力を決定することと、を含む。特定の実施形態では、タイムラグを補償することは、逆ローパスフィルタを利用することを含み、逆ローパスフィルタの時定数は、温度センサのタイムラグに等しい。

本開示をよりよく理解するために、添付の図面を参照し、これらの図面は、参照により本明細書に組み込まれる。

一実施形態による、ワークピースの温度を測定するために接触熱電対を使用する処理チャンバである。 ワークピースを加熱するために使用されるシーケンスを示すフローチャートである。 ワークピースの温度および加熱エレメントに加えられる電力を時間の関数として示すグラフである。 いくつかの実施形態で使用され得る閉制御ループを示す。 一実施形態による、ワークピースの温度を測定するために高温計を使用する処理チャンバである。 一実施形態による、高温計および高温計を較正するための接触熱電対を使用する処理チャンバである。 接触熱電対を使用して高温計を較正するためのシーケンスを示すフローチャートである。

上記のように、多くの用途では、基板が処理される前に基板を予熱することが有利である。したがって、基板を迅速に加熱するために使用できるシステムは、有益である。

図１は、一実施形態による基板加熱システム１００の側面図を示している。基板加熱システム１００は、１００ｍＴｏｒｒ未満などのほぼ真空状態に維持され得る処理チャンバ１０１を備える。処理チャンバ１０１の外側には、加熱エレメント１１０がある。加熱エレメント１１０からの光は、処理チャンバ１０１の１つの面として機能する石英窓１０２などの窓を通過することができる。この加熱エレメント１１０は、加熱ランプのアレイであり得る。例えば、タングステンハロゲン電球を使用して、ワークピースに向けてエネルギーを放出することができる。

タングステンハロゲン電球からの出力は、約４００ｎｍから２６００ｎｍの範囲の波長で放出され、ピークは約１０００ｎｍにある。６００ｎｍから１８００ｎｍの間の波長では、放出出力は、最大放出出力の少なくとも半分である。

他の実施形態では、発光ダイオード（ＬＥＤ）が、熱エネルギーを提供し得る。いくつかの例では、ＬＥＤは、ガリウムと窒素（ＧａＮ）または窒化インジウムと窒化ガリウム（ＩｎＧａＮ）を使用して製造される。これらのＬＥＤは、ｐ型材料とｎ型材料の間のバンドギャップエネルギーに関連する波長で発光する。したがって、ＧａＮおよびＩｎＧａＮを使用して製造されたＬＥＤの場合、波長は、約４５０～５００ｎｍになる傾向がある。

加熱エレメント１１０は、図１に示されるように、ワークピース１０の上方に配置されてもよいし、またはワークピース１０の下方に配置されてもよい。したがって、加熱エレメント１１０の位置は、本開示によって限定されない。

コントローラ１３０が、処理チャンバ１０１の外側に配置され得る。このコントローラ１３０は、処理ユニット１３１およびメモリデバイス１３２を含む。処理ユニット１３１は、マイクロプロセッサ、組み込みプロセッサ、特定用途向け回路、プログラマブル回路、マイクロコントローラ、または他の同様のデバイスなどの任意の適切なコンポーネントであり得る。このメモリデバイス１３２は、処理ユニット１３１によって実行されると、コントローラ１３０が本明細書で説明される機能を実行することを可能にする命令を含む。このメモリデバイス１３２は、フラッシュＲＯＭ、電気的に消去可能なＲＯＭ、または他の適切なデバイスなどの不揮発性メモリであり得る。他の実施形態では、メモリデバイス１３２は、ＲＡＭまたはＤＲＡＭなどの揮発性メモリであり得る。

コントローラ１３０は、加熱エレメント１１０と通信している。コントローラは、加熱エレメント１１０にエネルギーを与えることができ、また、加熱エレメント１１０に供給すべき電力の量を決定することができる。言い換えれば、コントローラ１３０は、所望のワークピース温度を達成するために、加熱エレメント１１０に供給すべき適切な可変の電力の量を決定することができる。

ワークピース１０もまた、ワークピース支持体上などの処理チャンバ１０１内に配置される。接触熱電対１２０が、ワークピース１０と物理的に接触することができる。コントローラ１３０は、電線１２１を介して接触熱電対１２０と電気的に通信している。したがって、コントローラ１３０は、接触熱電対１２０を介してワークピース１０の温度を監視することができる。

したがって、接触熱電対１２０、コントローラ１３０、および加熱エレメント１１０は、閉ループ制御システムを形成し、コントローラ１３０は、接触熱電対１２０を介してワークピース１０の温度を監視し、それに応じて加熱エレメント１１０への電力を調整する。

上記のように、接触熱電対１２０には、２つの欠点（温度オフセットとタイムラグ）があり得る。したがって、接触熱電対１２０によって記録された温度をワークピース１０の実際の温度と関係付けるために、較正が実行され得る。例えば、ワークピースを処理チャンバ内に配置し、既知の温度に加熱することができる。このワークピースは、熱電対が埋め込まれたワークピースである熱電対ワークピースであり得る。次に、接触熱電対によって測定された温度が、記録される。これを、ワークピースの測定された温度と実際の温度を示すグラフまたは表を作成するために、複数の温度で実行することができる。上に開示したように、処理チャンバ１０１は、石英窓１０２を有し得る。この実施形態では、石英窓１０２の温度は、処理チャンバ１０１内の温度の代用として機能することができる。別の実施形態では、ケイ素クーポンなどのデバイスを処理チャンバ１０１内に配置することができる。デバイスの温度が、処理チャンバ１０１内の温度の代用として機能することができる。較正プロセスは、実際のワークピース温度、処理チャンバ１０１内の温度、および接触熱電対によって測定された温度を含み得る。このデータに基づいて、関係を決定できる。したがって、ワークピース１０の実際の温度は、接触熱電対１２０から受け取った測定値、および任意選択で処理チャンバ１０１の石英窓１０２の温度に基づいて決定することができる。特定の実施形態では、温度オフセットを決定するための特性評価試験が、システムベンダーまたは部品サプライヤによって実行され得る。言い換えれば、上記の較正技術は、以下に説明する残りのプロセスとは別個に、そして異なる時間に実行され得る。

接触熱電対１２０に関連する第２の問題は、そのタイムラグである。ワークピース１０が特定の温度に到達してから、接触熱電対がその温度を検出するまでの時間は、数秒と推定される。特定の実施形態では、特定の接触熱電対１２０のタイムラグを決定するための特性評価試験が、システムベンダーまたは部品サプライヤによって実行され得る。こうして、実際のタイムラグが、以下に説明する方法を実行するコントローラ１３０に提供され得る。

言い換えると、接触熱電対は、ローパスフィルタのように機能し、時間遅延をともなって信号を通過させる。ローパスフィルタは、次の式を使用してデジタルで作成できる。
Ｓ_{ｆｉｌｔｅｒｅｄ，ｉ}＝（１－ｆ）＊Ｓ_{ｆｉｌｔｅｒｅｄ，ｉ－１}＋ｆ＊Ｓ_{ｒａｗ，ｉ}
ここで、Ｓ_{ｒａｗ，ｉ}は、時間ｉでの生の信号であり、
Ｓ_{ｆｉｌｔｅｒｅｄ，ｉ}は、時間ｉでのフィルタリングされた信号であり、
Ｓ_{ｆｉｌｔｅｒｅｄ，ｉ－１}は、時間ｉ－１でのフィルタリングされた信号であり、
ｆ＝Ｔ_{ｓａｍｐｌｅ}／（Ｔ_{ｓａｍｐｌｅ}＋τ_{ｆｉｌｔｅｒ}）
ここで、Ｔ_{ｓａｍｐｌｅ}は、データサンプリングの時間間隔であり、
τ_{ｆｉｌｔｅｒ}は、ローパスフィルタの時定数である。

この式は、信号を約τ_{ｆｉｌｔｅｒ}だけ遅らせるために使用できる。

接触熱電対１２０は、その測定値が特定の時間遅延だけ実際の温度より遅れるように、ローパスフィルタとして動作する。したがって、元の信号を再作成するために、フィルタリングされた信号に基づいて元の信号を復元する逆ローパスフィルタを作成することができる。Ｓ_{ｒａｗ，ｉ}について上記の式を解くと、次のようになる。
Ｓ_{ｒａｗ，ｉ}＝Ｓ_{ｆｉｌｔｅｒｅｄ，ｉ－１}＋（Ｓ_{ｆｉｌｔｅｒｅｄ，ｉ}－Ｓ_{ｆｉｌｔｅｒｅｄ，ｉ－１}）／ｆ

したがって、Ｔ_{ｓａｍｐｌｅ}などの一定の間隔で測定値をサンプリングし、測定値を記録することにより、現時点でのワークピース１０の実際の温度を、逆ローパスフィルタを使用して再構築することができる。

この逆ローパスフィルタは、ノイズを発生させる可能性があるので、温度の変化が小さい場合に、より正確になり得る。

温度オフセットおよびタイムラグを打ち消す技術を説明したので、ワークピース１０を加熱するためのハイブリッド制御システムを作成することができる。

図２は、図１のシステムを使用して、制御された方法でワークピース１０を加熱するために使用され得るフローチャートを示す。コントローラ１３０は、図２に記載されたプロセスを実行することができる。これは、図３にグラフで示されている。最初に、プロセス２００に示されるように、コントローラは、第１の電力レベル３３０を加熱エレメント１１０に印加する。この第１の電力レベル３３０は、図３の線３００によって示されるように、ワークピース１０を迅速に加熱させる。第１の期間３２０の間、コントローラ１３０は、開ループモードで動作し、コントローラ１３０は、ワークピース１０の温度に依存することなく、第１の電力レベル３３０を加熱エレメント１１０に印加する。第１の期間３２０の間のモードは、開ループウォームアップモードと呼ばれ得る。よく理解されているように、開ループ制御は、ワークピース１０の温度が、加熱エレメント１１０に供給される電力に影響を及ぼさないことを意味する。したがって、特定の実施形態では、開ループウォームアップモードにおいて、加熱エレメント１１０に印加される電力は、しきい値温度３１０に達するまで一定のままであり得る。

加熱エレメント１１０に印加される第１の電力レベル３３０は、ワークピース１０の温度に依存しないが、コントローラ１３０は、接触熱電対１２０を使用して、第１の期間３２０の間、ワークピース１０の温度を監視する。

プロセス２１０に示されるように、ワークピース１０の温度が、しきい値温度３１０に達していない間は、コントローラ１３０は、開ループウォームアップモードのままである。ワークピース１０の温度が、しきい値温度３１０に達すると、コントローラ１３０は、開ループウォームアップモードを終了する。

特定の実施形態では、ワークピース１０の温度は、接触熱電対１２０を使用して測定される。特定の実施形態では、しきい値温度３１０は、温度上昇の速度（すなわち、線３００の勾配）に基づいて選択される。特定の実施形態では、しきい値温度３１０を決定するときに、接触熱電対１２０の温度オフセットが考慮される。特定の実施形態では、しきい値温度３１０を決定するときに、接触熱電対１２０のタイムラグが考慮される。他の実施形態では、しきい値温度３１０は、ワークピース１０の温度が目標温度３１１を行き過ぎることなく、速い予熱時間を達成するように、経験的に決定される。したがって、しきい値温度３１０は、目標温度３１１よりも低い。例えば、しきい値温度３１０は、目標温度３１１よりも２０～３０℃低くてもよい。

コントローラ１３０は、開ループウォームアップモードを終了すると、プロセス２２０に示されるように、開ループ維持モードに入る。第２の期間３２１を有するこのモードでは、コントローラ１３０は、ワークピース１０の温度を維持しようとして、加熱エレメント１１０に加えられる電力を調整する。第２の電力レベル３３１が、第２の期間３２１の間、加熱エレメント１１０に印加され得る。この第２の電力レベル３３１は、第１の電力レベル３３０よりも低い。第２の電力レベル３３１は、図３に示されるように、ワークピースの温度がしきい値温度３１０から外れる可能性があるが、ワークピース１０の温度をほぼしきい値温度３１０に留まらせることができる。第２の電力レベル３３１は、第２の期間３２１が終了するまでワークピース１０の温度をほぼ維持するように、選択される。「ほぼ維持する」という句は、ワークピースの温度がしきい値温度３１０から最大２０℃外れる可能性があることを意味する。第２の期間３２１は、接触熱電対１２０のタイムラグ以上であり得る。上で説明したように、接触熱電対１２０のタイムラグは、システムベンダーなどによってコントローラ１３０に供給されるパラメータであってもよいし、または技術データに基づいてコントローラ１３０に入力されてもよい。したがって、一実施形態では、コントローラ１３０は、開ループ維持モードの全体にわたって、第１の電力レベル３３０よりも低い第２の電力レベル３３１を印加し、第２の期間３２１の間、第２の電力レベル３３１を一定に保つ。

このようにして、逆ローパスフィルタは、すべて目標温度３１１にかなり近い温度値を使用して、動作する。これにより、逆ローパスフィルタの精度が向上し得る。例えば、特定の実施形態では、接触熱電対１２０のタイムラグは、約２．７秒であり得る。したがって、この実施形態では、プロセス２３０に示されるような、待機遅延は、少なくとも２．７秒であり得る。

待機遅延の後、コントローラ１３０は、プロセス２４０に示されるように、閉ループ維持モードに切り替わる。閉ループ維持モードは、図３に示されるように、第３の期間３２２を有する。このモードでは、コントローラ１３０は、接触熱電対１２０からの測定値を使用して、加熱エレメント１１０に印加すべき電力レベル３３２を決定する。よく理解されているように、閉ループ制御は、加熱エレメント１１０に供給される電力がワークピース１０の温度に依存することを意味する。代表的な閉ループプロセスが、図４に示されている。

最初に、温度センサ４００からの信号が、サンプリングされる。温度センサ４００は、上記のような接触熱電対１２０、または以下に説明するような高温計であり得る。次に、プロセス４１０に示すように、温度センサの読み取り値に固有の温度オフセットが、補正される。これは、サンプリングされた読み取り値に定数を加えることで実現できる。別の実施形態では、これは、測定された温度を実際の温度に変換するルックアップテーブルまたは式を使用することによって、達成することができる。この場合も、温度オフセットを補正するためのアルゴリズムが、システムプロバイダまたは別の方法によって提供され得る。温度値が補正されると、プロセス４２０に示されるように、温度センサ４００に固有であり得るタイムラグが、補償される。上記のように、これは、温度センサ４００のタイムラグに等しい時定数を有する逆ローパスフィルタを使用して達成することができる。逆ローパスフィルタの出力は、現時点でのワークピース１０の実際の温度を表す。次に、この値は、プロセス４３０に示すように、比例積分微分（ＰＩＤ）制御ループへの入力として使用される。ＰＩＤ制御ループの出力は、適切な量の電力を加熱エレメント１１０に印加するために使用される。このようにして、ワークピース１０の温度を厳密に制御することができる。

コントローラ１３０は、第１の期間３２０の間などの開ループ制御と、第３の期間３２２の間などの閉ループ制御の両方を使用するので、このアプローチは、ハイブリッド制御システムと呼ばれ得る。

図５は、高温計１４０を使用してワークピース１０の温度を測定する実施形態を示している。この実施形態では、接触熱電対１２０は、高温計１４０によって置き換えられている。高温計１４０は、処理チャンバ１０１の外側に配置され、窓を通して処理チャンバ１０１内に光を放出することができる。高温計１４０は、シリコン（ケイ素）ウェハの温度を決定するために使用される場合、制限がある。ケイ素の光学特性により、赤外線技術を使用してワークピースの絶対温度を測定することは困難である。放射率は、材料が放射によってエネルギーを放出する能力の尺度である。特定の温度では、ケイ素の放射率は急速に変化するので、赤外線イメージングを使用することは、絶対温度を正確に測定するには不安定な手法になる。特定の温度では、ケイ素の放射率は、ほぼゼロである。ケイ素の温度が上昇すると、ケイ素の放射率も上昇する。８００℃では、ケイ素の放射率は、０．７の近くでほぼ一定である。

したがって、高温計１４０を使用するために、高温計１４０は、所望の温度で較正される。言い換えれば、ワークピースが、所望の温度に加熱される。例えば、ワークピースを処理チャンバ内に配置し、既知の温度に加熱することができる。このワークピースは、熱電対が埋め込まれたワークピースである熱電対ワークピースであり得る。次に、高温計１４０によって測定された温度が、記録される。これを、ワークピースの測定された温度と実際の温度を示すグラフまたは表を作成するために、複数の温度で実行することができる。こうして、所望の温度で、ワークピースは、特定の放射率を有し、高温計１４０は、その放射率に較正される。

図６は、高温計１４０を較正するために使用され得る別の実施形態を示している。前の実施形態とは異なり、図６の実施形態は、熱電対ワークピースを利用しない。したがって、この実施形態は、システムの顧客またはユーザによってより容易に実施され得る。この実施形態では、高温計１４０のみが、ワークピース温度を制御するために利用され、一方、接触熱電対１２０は、高温計１４０を較正するためにのみ利用される。上記のように、高温計１４０を使用するために、高温計１４０は、所望の温度で較正される。この較正プロセスを図７に示す。まず、プロセス７００に示すように、ワークピース１０を既知の温度に加熱する。例えば、ワークピースを処理チャンバ内に配置し、接触熱電対１２０によって規定される既知の温度に加熱することができる。この既知の温度は、ワークピースが加熱されるべき所望の温度である場合もあれば、較正温度である場合もある。接触熱電対１２０が、ワークピース１０の温度を測定するために使用され得るので、熱電対ワークピースは利用されない。上記のように、接触熱電対１２０は、温度オフセットを有し得る。これは、ワークピースが既知の温度にあることを確定するときに考慮され得る。さらに、接触熱電対１２０は固有の応答遅延を有するので、プロセス７１０に示されるように、ワークピース１０は、十分な期間の間、既知の設定点温度に保持される。この期間は、時間遅延が帳消しになるようにするために含まれている。例えば、この期間は、接触熱電対１２０のタイムラグ以上である。次に、プロセス７２０に示されるように、高温計１４０によって測定された温度が、記録される。これを、ワークピースの測定された温度と実際の温度を示すグラフまたは表を作成するために、複数の温度で実行することができる。次に、高温計１４０の出力が、プロセス７３０に示されるように、接触熱電対によって確定された既知の温度に関係付けられる。こうして、この既知の温度で、ワークピースは、特定の放射率を有し、高温計１４０は、その放射率に較正される。したがって、新しい放射率を有する別のワークピースが利用される場合、高温計１４０は再較正される。

一旦較正されると、高温計１４０は、ワークピース１０の温度を測定するために使用され得るが、較正された温度の近くでのみである。言い換えれば、高温計１４０は、第２の期間３２１および第３の期間３２２では、しきい値温度３１０を検出するために使用することができるが、第１の期間３２０に見られるようなより低い温度では役に立たない。

高温計１４０は、他の点でも接触熱電対１２０とは異なる。例えば、接触熱電対とは異なり、高温計１４０は、ワークピース１０の瞬間的な温度を測定する。言い換えれば、高温計１４０には時間遅延がない。

これらの特性により、図２に示すシーケンスが、高温計にも同様に適用できる。例えば、高温計１４０は低温を測定できないので、プロセス２００に示される開ループウォームアップモードが使用される。この実施形態では、しきい値温度は、高温計がワークピース１０の温度を正確に測定することができる温度である。しきい値温度に達すると、コントローラ１３０は、プロセス２２０に示されるように、開ループ維持モードに切り替わる。

プロセス２３０に示されるように、コントローラ１３０は、待機遅延の間、このモードに留まる。しかしながら、特定の実施形態では、高温計１４０にはタイムラグがないので、待機遅延は、ゼロまたはゼロに近くすることができる。次に、コントローラ１３０は、プロセス２４０に示されるように、閉ループ維持モードに切り替わる。したがって、特定の実施形態では、高温計１４０を使用する場合、コントローラ１３０は、しきい値温度３１０に達すると、開ループウォームアップモードから閉ループ維持モードに直接移動する。

さらに、閉ループ維持モードに関連する閉制御ループは、図４に示されるものとは異なっていてもよい。具体的には、高温計１４０は、所望の温度に較正されているので、プロセス４１０に示される温度オフセット補正は、省略され得る。同様に、高温計１４０にはタイムラグがないので、プロセス４２０に示されるタイムラグの補償も、省略され得る。

言い換えれば、高温計１４０の出力は、プロセス４３０に示されるような、ＰＩＤ制御ループへの入力として直接使用され得る。

上記の開示は、図２に示されるシーケンスを実行することを可能にする命令を備えたコントローラを有するシステムを説明したが、他の実施形態も可能である。例えば、これらの機能を実行するための命令が、既存のシステムにダウンロードされてもよい。換言すれば、これらの命令は、例えば、ネットワーク接続（図示せず）を介して、ＣＤＲＯＭを介して、または別のメカニズムによって、メモリデバイス１３２にダウンロードされ得る。これらの命令は、任意のプログラミング言語で書くことができ、この開示によって制限されない。したがって、いくつかの実施形態では、本明細書に記載の命令を含む複数のコンピュータ可読媒体が存在し得る。第１のコンピュータ可読媒体は、図１に示されるような、処理ユニット１３１と通信することができる。第２の非一時的なコンピュータ可読媒体は、ＣＤＲＯＭであってもよいし、またはコントローラ１３０から離れて配置された別のメモリデバイスであってもよい。この第２の非一時的なコンピュータ可読媒体に含まれる命令が、メモリデバイス１３２にダウンロードされて、コントローラ１３０による命令の実行を可能にすることができる。

本出願における上記の実施形態は、多くの利点を有し得る。まず、処理前の基板の加熱は、一般的な半導体製造プロセスである。開ループ制御と閉ループ制御の両方を採用するハイブリッド制御システムを作成することにより、目的の温度に到達するまでの時間を最小限に抑え、スループットを向上させることができる。加えて、温度オフセットとタイムラグがある場合はそれを補償する閉ループ制御を使用することにより、ワークピースの最終温度をより厳密に制御できる。例えば、ある試験では、このハイブリッドアプローチが、コントローラが加熱プロセス全体を通して閉ループ制御を利用する従来のＰＩＤ制御ループと比較された。各試験において、目標温度は、１５０℃であった。従来の閉ループ制御アプローチでは、２２秒後にワークピースが目標温度に到達した。対照的に、閉ループ制御を利用する前にウォームアップ期間中に開ループ制御を使用したハイブリッドアプローチでは、ワークピースは、約１０秒で目標温度に到達した。加熱時間のこの劇的な短縮により、スループットが大幅に向上する可能性がある。

本開示は、本明細書に記載の特定の実施形態によって範囲が限定されるべきではない。実際、本明細書に記載されたものに加えて、本開示の他の様々な実施形態および修正が、前述の説明および添付の図面から当業者には明らかであろう。したがって、そのような他の実施形態および修正は、本開示の範囲内に入ることが意図されている。さらに、本開示は、特定の目的のための特定の環境における特定の実施態様の文脈で本明細書に記載されているが、当業者は、その有用性がそれに限定されず、本開示が任意の数の目的のために任意の数の環境で有益に実施され得ることを認識するであろう。したがって、以下に記載される特許請求の範囲は、本明細書に記載された本開示の全範囲および精神を考慮して解釈されるべきである。

Claims (15)

1. ワークピースの温度を制御するためのシステムであって、
   温度センサ、
   加熱エレメント、ならびに
   前記温度センサおよび前記加熱エレメントと通信しているコントローラ、
   を備え、前記コントローラが、処理ユニットおよびメモリデバイスを備え、前記メモリデバイスが、命令を備え、前記命令が、前記処理ユニットによって実行されると、
   開ループウォームアップモードであって、前記コントローラが開ループ制御を使用して、しきい値温度に達するまで前記ワークピースを加熱する、開ループウォームアップモードで動作することと、
   閉ループ維持モードであって、前記コントローラが閉ループ制御を使用して、前記ワークピースの前記温度を目標温度に維持する、閉ループ維持モードで動作することと、
   を前記コントローラが行うことを可能にする、システム。
2. 前記温度センサが、タイムラグを有し、前記メモリデバイスが、命令をさらに備え、前記命令が、前記処理ユニットによって実行されると、
   前記しきい値温度に達した後に、開ループ維持モードであって、前記コントローラが開ループ制御を使用して、前記ワークピースの前記温度をほぼ維持する、開ループ維持モードで動作することと、
   少なくとも前記タイムラグと同じ長さの期間の後に、前記開ループ維持モードから前記閉ループ維持モードに切り替わることと、
   を前記コントローラが行うことを可能にする、請求項１に記載のシステム。
3. 前記開ループウォームアップモード中に前記ワークピースの前記温度が前記目標温度を超えないように、前記しきい値温度が選択される、請求項１に記載のシステム。
4. 前記閉ループ維持モードで動作することが、
   前記温度センサの出力をサンプリングすることと、
   前記温度センサの温度オフセットがある場合には、前記温度オフセットを補正することと、
   前記温度センサのタイムラグがある場合には、前記タイムラグを補償することと、
   前記温度センサの補正かつ補償された出力を、比例積分微分制御ループへの入力として使用して、前記加熱エレメントへの出力を決定することと、
   を含む、請求項１に記載のシステム。
5. 前記タイムラグを補償することが、逆ローパスフィルタを利用することを含み、前記逆ローパスフィルタの時定数が、前記温度センサの前記タイムラグに等しい、請求項４に記載のシステム。
6. ワークピースを目標温度に加熱する方法であって、
   開ループウォームアップモードであって、コントローラが開ループ制御を使用して、しきい値温度に達するまで加熱エレメントを制御する、開ループウォームアップモードで動作することと、
   閉ループ維持モードであって、前記コントローラが閉ループ制御を使用して、温度センサからの測定値に基づいて前記ワークピースの温度を前記目標温度に維持する、閉ループ維持モードで動作することと、
   を含む方法。
7. 開ループ維持モードであって、前記コントローラが開ループ制御を使用して、前記閉ループ維持モードに切り替わる前に、ある期間、前記ワークピースの温度をほぼ維持する、開ループ維持モードで動作することを、さらに含み、前記温度センサが、タイムラグを有し、前記期間が、少なくとも前記タイムラグと同じ長さである、請求項６に記載の方法。
8. 前記閉ループ維持モードで動作することが、
   前記温度センサの出力をサンプリングすることと、
   前記温度センサの温度オフセットがある場合には、前記温度オフセットを補正することと、
   前記温度センサのタイムラグがある場合には、前記タイムラグを補償することと、
   前記温度センサの補正かつ補償された出力を、比例積分微分制御ループへの入力として使用して、前記加熱エレメントへの出力を決定することと、
   を含む、請求項６に記載の方法。
9. 前記タイムラグを補償することが、逆ローパスフィルタを利用することを含み、前記逆ローパスフィルタの時定数が、前記温度センサの前記タイムラグに等しい、請求項８に記載の方法。
10. 前記温度センサが、高温計を含み、前記方法が、
    前記開ループウォームアップモードの前に、接触熱電対を使用して前記高温計を較正することであって、
    前記接触熱電対によって確定された既知の温度にワークピースを加熱すること、
    前記接触熱電対のタイムラグよりも長い期間、前記既知の温度に留まること、および
    前記高温計の出力を、前記接触熱電対によって確定された前記既知の温度に関係付けること、
    によって、前記高温計を較正することを、さらに含む、請求項６に記載の方法。
11. 命令を備える非一時的なコンピュータ可読媒体であって、前記命令が、コントローラによって実行されると、
    開ループウォームアップモードであって、前記コントローラが開ループ制御を使用して、温度センサによって測定されたしきい値温度に達するまで、加熱エレメントを使用してワークピースを加熱する、開ループウォームアップモードで動作することと、
    閉ループ維持モードであって、前記コントローラが閉ループ制御を使用して、前記温度センサによる測定値に基づいて前記ワークピースの温度を目標温度に維持する、閉ループ維持モードで動作することと、
    を前記コントローラが行うことを可能にする、非一時的なコンピュータ可読媒体。
12. 前記温度センサが、タイムラグを有し、前記非一時的なコンピュータ可読媒体が、命令をさらに備え、前記命令が、前記コントローラによって実行されると、
    前記しきい値温度に達した後に、開ループ維持モードであって、前記コントローラが開ループ制御を使用して、前記ワークピースの前記温度をほぼ維持する、開ループ維持モードで動作することと、
    少なくとも前記タイムラグと同じ長さの期間の後に、前記開ループ維持モードから前記閉ループ維持モードに切り替わることと、
    を前記コントローラが行うことを可能にする、請求項１１に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
13. 前記開ループウォームアップモード中に前記ワークピースの前記温度が前記目標温度を超えないように、前記しきい値温度が選択される、請求項１１に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
14. 前記閉ループ維持モードで動作することが、
    前記温度センサの出力をサンプリングすることと、
    前記温度センサの温度オフセットがある場合には、前記温度オフセットを補正することと、
    前記温度センサのタイムラグがある場合には、前記タイムラグを補償することと、
    前記温度センサの補正かつ補償された出力を、比例積分微分制御ループへの入力として使用して、前記加熱エレメントへの出力を決定することと、
    を含む、請求項１１に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
15. 前記タイムラグを補償することが、逆ローパスフィルタを利用することを含み、前記逆ローパスフィルタの時定数が、前記温度センサの前記タイムラグに等しい、請求項１４に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。

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